Способ определения поверхностного натяжения жидкости и устройство для его осуществления Советский патент 1993 года по МПК G01N13/02 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к способам и устройствам для измерения поверхностного натяжения по методу максимального давления в пузырьке.

Целью данного изобретения является исключение продавливающего газа и, следовательно, возможных его влияний на измеряемое свойство, то есть расширение области применимости метода максимального давления в пузырьке на измерения поверхностного натяжения жидкости на границе с ее насыщенным паром.

Для измерений на границе с насыщенным паром применяются иные методы, основанные на других типах капиллярных поверхностей, обладающие теми или иными

недостатками. Например, метод максимального давления в капле практически неприменим в случае смачивания жидкостью материала прибора.

Прямые аналоги предложенного способа отсутствуют.

Прототипом устройства по сходству большинства признаков является прибор, описанный на стр. 425 в статье П.П. Пугаче- вича Элементарная теория расчета усовершенствованных газовых приборов для измерения поверхностного натяжения, в кн.: Поверхностные явления а расплавах и процессах порошковой металлургии. Изд. АН УССР, Киев. 1963, с. 422-435.

В нем заложена идея использования в качестве резервуара для жидкости одного

из колен U-образного манометра, заполненного этой жидкостью. Для работы без газа требуются изменения, начиная с отсутствия газа.

Главная цель нашего способа достигается на принципе, вытекающем из четкого разграничения понятий пузырек газа в жидкости и пузырэк вакуума в жидкости. В первом случае внутрь пузырька направлено капиллярное давление Лапласа, обуслов- ленное наличием поверхностного натяжения и кривизны поверхности. Лапла- совское давление уравновешивается давлением сжатого в пузырьке газа. Во втором случае уравновешивающая лапласовское давление сила обычно отсутствует, пузырек неустойчив и захлопывается. Уравновешивающую силу можно обеспечить, если в жидкости создать растянутое состояние, то есть отрицательное давление, что мы и берем, как принцип решения задачи. За нулевое давление следует взять давление непосредственно под плоской поверхностью жидкости при отсутствии давления газа над ней. Давление насыщенного пара о бычно исклюиэется, если сообщаются полость пузырька и пространство над мениском сравнения. Различие давлений пара, обусловленное разной кривизной меьи- сков, при равновесных их уровнях, уравновешивается весом столба пара с высотой отвечающей разности уровней менисков. Этим различием также можно пренебречь или учесть его.

Изобретение иллюстрируется рисунками. На фиг.1 показана схема основного варианта устройства; на фиг.2 - изменение в верхней части того же устройства. Здесь 1 - рабочее колено манометра, 2 - соединительная трубка, 3 - насадок с пузырьком на калиброванном отверстии, 4 - колено сравнения, 5 - устройство для подачи в манометр и отбора части жидкости, например в виде сильфона. На фиг.2 буквой А обозначен узкий зазор, до которого при помощи устройства 5 поднимают уровень жидкости, чтобы вытеснить в трубку 2 возможный остаточный газ, после чего уровень жидкости удерживается на уровне зазора А капиллярными силами. Жидкость на фиг.2 не показана. На фиг.1 жидкость показана после того как она, будучи поднятой устройством 5, полностью заполнила колено 1, кроме отчасти полости насадка 3. а затем медленно опускаемая с помощью устройства 5 достигла состояния предшествующего проскоку пузырька. В этом состоянии в колене 4 она занимает наиболее низкое положение, при котором измеряют расстояние Н. После проскока пузырька жидкость в колене 1 опадает. а в колене 4 поднимается. Вычисление капиллярной постоянной ведут по радиусу калиброванного отверстия насадка г и отрезку Н известным для метода максимального давления в пузырьке способом. Из капиллярной постоянной, при известных разности плотностей жидкости и ее пара и местном значении ускорения силы тяжести, вычисляют поверхностное натяжение.

0 Главная цель способа, - устранение продавливающего газа, - достигается тем, что образование и рост пузырька на калиброванном отверстии насадка ведут в растянутой жидкости при медленном увеличении

5 по абсолютной величине ее отрицательного давления на уровне отверстия насадка и измеряют это давление любым датчиком при достижении максимума капиллярного давления, т.е. в момент проскока пузырька.

0Конкретный вариант способа, сочетаемый с использованием конкретного устройства, состоит в том, что отрицательное давление создают в рабочем колене U-образного манометра, куда вертикально вве5 ден насадок (полость которого соединена с пространством над жидкостью в колене сравнения), причем (закрытое) рабочее колено заполняют жидкостью полностью (кроме отчасти полости насадка), либо до

0 сужения, способного удерживать столб жидкости капиллярными силами, медленно отбирают жидкость из нижней части манометра, тем понижая ее уровень в колене сравнения и увеличивая по абсолютной ве5 личине отрицательное давление в рабочем колене и измеряют давление на уровне калиброванного отверстия насадка Ъ момент проскока пузырька по уровню жидкости в колене сравнения относительно уровня ка0 либрованного отверстия насадка.

Вспомогательные цели связаны с условиями обеспечения создания растянутого состояния жидкости, борьбе с помехами и т.п.

5 Устройство для измерения поверхностного натяжения включает U-образный манометр, содержащий исследуемую жидкость, вертикально и герметично введенный в рабочее колено насадок с цилиндрической или

0 сужающейся вниз полостью и заостренными на торце стенками, образующими калиброванное отверстие, причем полость наездка сообщается с пространством над жидкостью в колене сравнения манометра,

5 отличающееся тем, ч го оно дополнительно снабжено устройством подачи жидкости в нижнюю часть манометра и отбора ее оттуда, а стенки, контактирующие с жидкостью, где она может быть под отрицательным давлением, выполнены из смачивающегося

жидкостью материала, чем предотвращается отслоение жидкости от стенок.

Следует отметить, что определенную помеху представляет полость-карман вокруг насадка. При заполнении рабочего колена trra полость отсекается жидкостью, а ее содержимое сжимается. Если там есть примесь остаточного газа, то он может воспрепятствовать захлопыванию полости. Поэтому объем полости-кармана вокруг насадка выбран минимальным, допускаемым технологией. Остаточный газ из полости- кармана может быть вытеснен в соединительную трубку в варианте устройства, показанном на фиг.2, где полость сообщается с трубкой 2 через настолько узкий зазор А. что силы капиллярного поднятия могут удерживать жидкость зацепившуюся в этом зазоре. Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я

1.Способ определения поверхностного натяжения жидкости методом максимального давления, заключающийся в формировании пузырька на нижнем срезе капилляра с калиброванным отверстием, расположенного в рабочем колене U-образного манометра, заполнении рабочего колена с капилляром исследуемой жидкостью, понижении о нем уровня жидкости, измерении расстояния между уровнем жидкости в колене сравнения, манометра и нижним срезом капилляра и определении максимального капиллярного давления в жидкости на уровне среза капилляра и по нему поверхностного натяжения жидкости, отличающийся тем, что. с целью

повышения точности и достоверности определения поверхностного натяжения за счет исключения физико-химического влияния продавливающего газа на свойства исследуемой жидкости, исследуемую жидкость перед заполнением манометра обезгаживают, а обьем манометра над жидкостью после заполнения откачивают до вакуума и герметизируют, уровень жидкости в коленах манометра понижают, создавая в ней отрицательное давление, а максимальное капиллярное давление на уровне нижнего среза капилляра определяют в момент, предшествующий проскоку пузырька, по

максимальной величине расстояния между уровнем жидкости в колене сравнения манометра и нижним срезом капилляра

2.Устройство для определения поверхностного натяжения жидкостей, включающее U-образный манометр, в рабочем колене которого вертикально и герметично размещен капилляр с калиброванным отверстием, соединяющий рабочее колено и колено сравнения манометра, отличающ е е с я тем, что манометр соединен со средством для создания жидкости манометра отрицательного давления, капилляр выполнен с заостренными на нижнем торце стенками, а колена манометра и капилляр

выполнена из смачивающихся исследуемой жидкостью материалов.

3.Устройство поп.2,отличающее- с я тем, ч го капилляр размещен в рабочем колене с зазором, выполненным капиллярным и соединяющим рабочее колено с коленом сравнения манометра.

7-

Использование: измерительная техника, способы и устройства для измерения по- верхностного натяжения по методу максимального давления в пузырьке. Измерения ведут в жидкости при нарастающем отрицательном давлении в ней. Устройство включает U-образный манометр, в одно колено которого (закрытое) введен капилляр с калиброванным отверстием, полость которого сообщается с калиброванным отверстием, полость которого сообщается с пространством над жидкостью во втором колене. Устройство для создания в рабочем колене отрицательного давления в жидкости обеспечивает перемещение уровня жидкости в другом колене. Этот уровень измеряют в момент проскока пузырька. Для предотвращения отслоения растянутой жидкости от стенок они выполнены из смачивающегося жидкостью материала, предусмотрено вытеснение остатков газа из рабочего колена в соединительную трубку нерез узкий зазор. По максимальной величине расстояния между нижним срезом капилляра и уровнем жидкости в другом колене манометра определяют максимальное капиллярное давление и поверхностное натяжение. 2 с. и 1 з.п.ф-лы. 2 ил. сл