Способ одновременного определения межфазного натяжения и вязкости жидкостей и устройство для его осуществления Советский патент 1992 года по МПК G01N13/02 

Изобретение относится к физике, а именно к способам и устройствам для изучения свойств межфазных границ раздела. Известны способ и устройство для измерения поверхностного и межфазного натяжения на основе изучения колебаний висящей капли.

Недостатком этого способа является низкая точность.

Известны также способ изучения свойств жидкости, основанный на спектроскопии когерентного света, рассеянного на поверхностных волнах,и устройство для его осуществления.

Вязкоупругие свойства границы раздела определяются, изучая пространственно- частотные характеристики когерентного

света, рассеянного на поверхностных волнах.

При этом частота рассеянного когерентного света зависит от скорости движения поверхностной волны, т.е. рассеянный свет претерпевает доплеровский сдвиг. В силу случайного характера поверхностных волн происходит уширение спектра рассеянного света, которое зависит также от затухания поверхностных волн из-за вязкости жидкости. Это приводит к трудности анализа спектральных характеристик рассеянного света и выделения информации о свойствах поверхностных волн, связанных со свойствами жидкости.

Наличие связи между волновым числом поверхностной волны и частотой этой волны

XJ

00

о

00

ю

(дисперсионное соотношение) приводит к необходимости измерения пространственных свойств рассеянного излучения. Недостатком этого способа являются также трудности, связанные с регистрацией рассеянного света на тепловых поверхностных волнах, имеющих амплитуду 1 нм (10 м) в пределах волновых чисел (10-100 ). При этом угол рассеяния составляет величину порядка 10 мрад ( рад).

Недостатком является также необходимость защиты от посторонних вибраций и возмущений исследуемого объема жидкости.

Устройство для изучения свойств жидкостей содержит источник когерентного света - лазер, формирующую оптику и дифракционную решетку для расщепления лазерного луча на два луча, фотоприемное устройство (ФЭУ) и электронную систему для анализа фототока.

Цель изобретения - упрощение повышения точности определения.

Способ одновременного определения межфазного натяжения и вязкости жидкостей заключается в распределении лазерного луча на зондирующий м. дифрагированный, их фокусированиина исследуемую границу раздела фаз и детектировании отраженного и рассеянных от этой границы лучей. На пути лазерных лучей над исследуемой границей раздела фаз разме-. щают прозрачное для лазерного излучения тело, например призму, с плоской поверхностью, обращенной к границе раздела фаз и расположенной от нее на расстоянии не более длины волны лазерного излучения. Показатель преломления прозрачного тела превышает показатель преломления фазы, в которой оно расположено. Расщепленные лучи направляют к границе раздела фаз под углом, большим угла полного внутреннего отражения, а на границе раздела фаз жидкости производят возбуждение поверхностных волн.

На фиг. 1 представлена схема устройства для одновременен) определения межфазного натяжения и вязкости жидкости; на фиг.2 - временная зависимость сигналов фотоприемников; на фиг.З - схема измерения длины волны поверхностных волн.

При возбуждении поверхностной волны ее амплитуда в одномерном случае представляется ввиде

А АО I (w t - q х),(1)

где у - коэффициент затухания

2vaf

5

0

(3)

и - круговая частота поверхностной волны;

g - ускорение свободного падения.

При этом связь между угловой частотой поверхностной волны и волновым вектором определяется дисперсионным соотношением

efl gq+2q3,

In

где q -у- - модуль-волнового вектора поверхностной волны;

G - поверхностное (межфазное) натяжение;

р- плотность жидкости.

Поверхностное натяжение и вязкость жидкости определяют по формулам

a-l SJLlp,

(4)

v

2 ft/

(5)

25

30

35

40

45

50

55

При детектировании излучения, прошедшего границу раздела, функциональная зависимость фототока на выходе с фотоприемника имеет вид

I Епрош Ео exp (-2kz),(6)

2

гдек2 ()(п28Ш0-1);(7)

Ео - амплитуда волны на границе двух сред;

z - расстояние по нормали к этой границе до некоторой точки в среде 2;

ш- угловая частота используемого излучения;.

с - скорость света;

п т/па - показатели преломления первой и второй сред, разделенных границей раздела.

Дляг г0±А, где 2о- постоянный урозень жидкости;

А - амплитуда поверхностной волны.

Переменная составляющая фототока выражается в виде .,

i Епрош Ео ехр - 2 k АО . х ехр i ( t x)j;(8)

i Епрош Ео ехр {- 2 k АО х

(wit-qx).(9)

Используя для усиления сигналов фотоприемника логарифмический усилитель, можно получить сигнал на выходе с усилителя в виде

U U0exp f (wi t-qx)(10)

и на экране осциллографа наблюдать периодический сигнал с частотой аи; длиной вол1 2л: ны А --, затухающий с коэффициентом

затухания у.

Изобретение относится к физике. Целью изобретения является повышение точности. Для этого используется зондирование межфазной границы раздела двумя параллельными лазерными лучами при возможности изменения расстояния между ними в присутствии прозрачной для лазерного излучения плоской границы раздела на некотором расстоянии от исследуемой поверхности жидкости. Зондирование исследуемой поверхности жидкости производят под углом, превышающим угол полного внутреннего отражения. При этом данные о межфазном натяжении и вязкости жидкости получают из анализа пространственно-временных свойств лазерного излучения, прошедшего границу раздела фаз, на которой возбуждают поверхностные бегущие волны. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

v- кинематическая вязкость;

На фиг.2 представлена картина переменного сигнала фототока при прохождении когерентного света через поверхность межфазной границы раздела: кривая 12 - сигнал с первого фотоприемника при прохождении первого лазерного луча через поверхностную волну жидкости, кривые 13,14- сигнал с второго фотоприемника при разных положениях второго параллельного лазерного луча по отношению к первому лучу, Т - период сигнала, ft) - круговая частота сигнала, равная круговой частоте исследуемой поверхностной волны; t - время, за которое амплитуда сигнала упадет в ё раз, у- коэффициент затухания сигнала и поверхностной волны.

Измеряя-расстояние между максимумами электрического сигнала на выходе из логарифмического усилителя, получают период колебаний поверхностной волны Т, а

2л: следовательно, и круговую частоту о - Измеряя время затухания t3 по моменту, когда амплитуда уменьшается в е раз, определяют вязкость согласно формуле (5).

Для определения поверхностного или межфазного натяжения в соответствии с выражением (4), помимо знания м,измеряют

In1

волновое число q -у- или длину волны Я.

Для измерения длины волны поверхностных волн необходимо использовать два зондирующих лазерных луча, один из которых может перемещаться параллельно другому (фиг. 1).

Перемещая луч Л2 параллельно лучу /1i с фотоприемников получают выходной сигнал вида (10). Максимумы двух сигналов по времени совпадают только тогда, когда расстояние L между точками пересечения лучей с пучностями поверхностной волны равно m Л где m - целое число: 1, 2, 3, 4...

Зная расстояниеL, можно определить длину волны А

и

-Ј

где m - целое число.

Фиг.З поясняет принцип измерения волнового числа поверхностной волны (длины волны) с помощью зондирования межфазной границы двумя лучами. Луч Л неподвижен. Луч Л2 проходит через устройство, позволяющее его смещать параллельно лучу Л1. L - расстояние между точками одинаковой фазы поверхностной волны.

Для измерения дили Лдобиваются, чтобы пучности периодического сигнала фототока совпадали при каком-то определенном

расстоянии hi между параллельными лучами.

Тогда m , где 0- угол падени г (12).

0

При параллельном перемещении одного из лазерных лучей достигают следующего совпадения пучностей периодических сигналов фототока..

Н2

При этом (т + 1) Л

Отсюда получают д .

cos &

(13)

20

25

30

35

40

Пример. Устройство для осуществле- 15 ния способа состоит из лазера 1, луч которого с помощью зеркала 2 направляется на сканер-расщепитель 3. Лазерный луч расщепляется на два луча J и Л2, которые направляют в измерительный сосуд 4, который гидростатически связан с нагнетательным сосудом 5. Поршень 6 служит для регулировки высоты жидкости 7. в измерительном сосуде 4. Над поверхностью жидкости расположено прозрачное для лазерного излучения тело, например призма 8.

На пути прошедших границу раздела лучей Л-i и Л2 установлены фотоприемники 9 и 10, сигналы с которых подаются на двух- лучевой запоминающий осциллограф 11.

Зазор между плоской поверхностью призмы 8 и поверхностью жидкости 7 выбирают порядка, длины волны используемого излучения. Для этого используют систему сообщающихся сосудов 4 и 5. Один сосуд является измерительным, а другой нагнетательным. В сообщающихся сосудах с помощью поршня 6 меняют уровень жидкости и соответственно величину зазора. Мощность прошедшего света падает примерно в 100 раз с увеличением зазора на длину волны Я.

Так как минимальная величина света, регистрируемая фотоумножителями, составляет величину порядка 10 Вт, можно показать, что зазор может составлять довольно значительную величину. Так, если использовать He-Ne лазер с выходной мощностью Вт, то при зазоре 8 Я, т.е. 4,8 мкм величина прошедшего света составляет величину 10 Вт. Использование метода счета фотонов позволяет проводить измерение поверхностных волн. Это также упрощает возбуждение поверхностной волны. При этом возбуждение производят либо механически (например, бросанием небольшого предмета), либо бесконтактным способом с помощью мощного лазерного излучения.

45

50

55

Таким образом, меняя с помощью поршня уровень в измерительном сосуде 4, получают необходимую величину прошедшей мощности лазерного света.

Оптическая система состоит из лазера 1, например He-Ne с выходной мощностью излучения 10-50 мВт. С помощью расщепителя 3 получают два параллельных луча. Системой объективов лучи фокусируются на поверхности исследуемой жидкости. Диа- метр лазерных лучей должен быть много меньше длины волны исследуемых поверхностных волн. Оба луча направляются к поверхности под углом превышающим угол полного внутреннего отражения, определи- емый условием

n sin0 1.

В качестве другой поверхности раздела используется плоская поверхность тела, прозрачного в спектральном диапазоне ис- пользуемого излучения,

В качестве фотоприемников для регистрации излучения, прошедшего границу раздела фаз, используют фотоумножитель, например, ФЭУ-28 или ФЭУ-79 в каждом регистрирующем канале (луче). Сигналы с фотоумножителя поступают на запоминающий двухлучевой осциллограф типа С-14.

Измерение производят следующим образом. В систему сообщающихся сосудов заливают исследуемую жидкость. Лазерный луч, расщепленный на два луча, направляют на поверхность жидкости снизу или на поверхность стеклянной призмы сверху под углом, превышающим угол полного внутрек- него отражения. Затем включают ФЭУ и осциллограф. С помощью поршня устанавливают уровень жидкости в измерительном сосуде по достижении необходимого уровня сигнала на осциллографе. Затем с помощью системы возбуждения поверхностной волны получают бегущую поверхностную волну. Излучение, прошедшее границу раздела фаз при появлении волньцмодули- ровано по амплитуде. С помощью расщепи- теля сканируют один лазерный луч относительно другого для получения ближайших синхронных сигналов на экране осциллографа. З.атем измеряют частоту, амплитуду сигнала и расстояние между па- раллельными лучами. Используя формулы (4). (5), (13). определяют вязкость, волновое число и поверхностное (межфазное) натяжение.

Изучение периодических колебаний возбужденной поверхностной волны дает более точное определение поверхностных свойств границ раздела в отличие от измерения этих же свойств при регистрации рассеянного лазерного излучения от поверхностных тепловых волн, так как последние представляют собой набор волновых движений с различными волновыми числами и случайными амплитудами.

Формула изобретения 1. Способ одновременного определения межфазного натяжения и вязкости жидкостей, включающий направление лазерного луча на границу раздела двух фаз, его расщепление на два луча и фокусирование их на границу раздела и детектирование отраженных от нее лучей, отличаю щ и й- с и тем, что, с целью упрощения и повышения точности определения, отраженные от границы раздела лучи пропускают через прозрачное для лазерного излучения тело с плоской поверхностью, параллельной границе раздела фаз и расположенной от нее на расстоянии не более длины волны лазерного излучения, причем показатель преломления прозрачного тела превышает показатель преломления фазы, в которой оно расположено, расщепленные лучи направляют к границе раздела фаз под углом большим угла полного внутреннего отражений, на границе раздела фаз возбуждают бегущие поверхностные волны с амплитудой, меньшей расстояния между плоской поверхностью прозрачного тела и границей раздела фаз, изменяют расстояние между расщепленными лучами и определяют минимальное изменение расстояния между ними, при котором достигается синхронное совпадение детектируемых сигналов, по сигналам определяют период Т, круговую

о ,

частоту ft) -у-,коэффициент затухания у и

дь

длину волны А

COS0

,а коэффициент поверхностного межфазного натяжения о и вязкость v жидкости вычисляют по формулам

-У92

v

)

q3 2 О

гдер- плотность жидкости;

q -у- - волновое число;

g - ускорение свободного падения.

2; Устройство для одновременного определения межфазного натяжения и вязкости жидкостей, содержащее лазер, фокусирующую оптическую систему, расщепитель лазерного луча и сосуд для жидкости, расположенные по оси лазерного луча, фотоприемники для регистрации лазерных лучей, отраженных от границы раздела фаз жидкости в сосуде, и электронную систему для обработки сигналов с фотоприемников, отличающееся

тем, что оно снабжено расположенным в верхней части сосуда прозрачным для лазерного излучения телом с плоской поверхностью, параллельной дну сосуда, приспособлением для регулирования уровня жидкости в сосуде, причем сосуд для жидкости снабжен генератором бегущих поверхностных волн на границе раздела фаз, расщепитель лазерного луча выполнен в виде сканера, состоящего из полупрозрачного и полностью отражающего зеркала.

размещенных параллельно друг другу с возможностью регулирования расстояния между ними, электронная система для обработки сигналов снабжена логарифми- ческим усилителем, вход которого соединен с выходами фотоприемников.

Г

Фиг. 1

Щи г. 2

Д

Фиг.Ъ