УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СПОСОБ КОНТРОЛЯ СТРУКТУРЫ ДИСПЕРСНЫХ СРЕД
ULTRASONIC WAY OF CONTROL OF THE STRUCTURE OF DISPERSE MEDIA

Изобретение относится к неразрушающему способу определения структуры дисперсных сред и может быть использовано во многих отраслях промышленности: фармацевтической, косметической, пищевой, химической, космической, при определении качества строительных материалов, для контроля взрывчатых веществ, т.е. во всех средах, где используется гетерогенно-дисперсный материал.
Структура дисперсных сред определяется пространственным расположением взаимопроникающих континуумов дисперсной (несущей) и диспергированной (частицы) фаз [1]. Известны различные способы определения структуры дисперсных сред: оптическая микроскопия, ультразвуковая дефектоскопия, лазерная, электронная микроскопия [2-5].
Известен способ определения концентрации растворов [6]. Сущность его в том, что вначале устанавливается с помощью дефектоскопа скорость распространения ультразвуковых волн (УЗВ) в среде, в которой происходит растворение, определяют расстояние между излучателем и отражателем, затем помещают измерительный блок в исследуемую систему, определяют путь прошедшего сигнала и по известной формуле определяют концентрацию растворенного вещества. Основным недостатком является низкая точность измерения, т.к. настройка измерительного блока в среде, в которой происходит растворение, затем его перенос в исследуемую систему неизбежно связан с расстраивающими процессами.
Известен способ ультразвукового контроля молекулярно-массового распределения полимера в растворе [7]. Сущность его заключается в том, что выполняют: заполнение измерительной камеры раствором полимера, излучение импульсов, прием импульсов, прошедших образец, расчет скорости распространения и коэффициента затухания ультразвука, при этом импульсы излучают с различной частотой, и на основе массива коэффициентов затухания и скоростей распространения УЗВ рассчитывают функцию молекулярно-массового распределения полимера в растворе по определенному математическому выражению. К основным недостаткам следует отнести необходимость стабильности исследуемой системы в течение всего длительного времени измерения для набора массива коэффициентов затухания и скоростей - большая времяемкость.
Известен ультразвуковой способ контроля концентрации магнитных суспензий [8], который является наиболее близким по совокупности признаков, принятый в качестве прототипа. Для реализации этого способа возбуждают с помощью пьезодатчика в тонкой пластинке волну Лэмба (продольную волну), измеряют амплитуды эхо-сигналов с выбранной цикличностью, погружают пластину с пьезодатчиком в измерительный сосуд с контролируемой суспензией, включают измерение временного интервала, измеряют и запоминают численные значения амплитуды каждого n-го сигнала в момент времени Т, сравнивают значение амплитуды n-го эхо-сигнала с ближайшими амплитудами, рассчитывают момент времени Т, когда относительные изменения амплитуд эхо-сигналов при изменении времени не будут превышать некоторую выбранную величину, и по градуировке, которую проводят заранее на суспензиях с известными концентрациями магнитных частиц, судят о концентрации исследуемой суспензии.
Недостатками известного способа являются длительность процесса контроля и его сложность за счет большой времяемкости, связанной с процессами погружения пластинки и предварительных градуировок, что делает его в целом трудоемким, недостаточно точным и достоверным, а также ограниченным в применении, поскольку он используется только для магнитных жидкостей.
Заявленное изобретение лишено этих недостатков. Техническим результатом заявленного изобретения является повышение оперативности определения структуры дисперсных сред, достоверности, снижение трудоемкости и затрат на проведение измерений, а также применение способа к широкому классу дисперсных систем (взвесям, эмульсиям, газовым пузырькам в жидкости).
n
n
0
0
n
n
0
n
0
0
n
0
0
n
0
Указанный технический результат достигается тем, что в заявленном изобретении в отличие от прототипа соосные и параллельные друг другу пьезодатчики помещают непосредственно в камеру с исследуемой системой на любую технически требуемую глубину, с помощью излучаемого пьезодатчика облучают дисперсную среду продольной УЗВ с частотой, при которой длина волны λ больше размеров частиц R, измеряют (фиксируют) амплитуды импульсов А в разные моменты времени t, прошедших через исследуемую дисперсную систему с помощью приемного пьезодатчика, сравнивают с уровнем (величиной) импульса А, прошедшего через дисперсную среду (жидкость без частиц), определяют разность А-А величин импульсов с помощью осциллографа или анализатора импульсов в разные моменты времени t, определяемые таймером, и по ней судят о структуре дисперсной системы: в интервале времени Δt при флюктуации амплитуд δХ=|А-А|/А больше 10% частицы неравномерно распределены в дисперсной фазе, в интервале времени Δt при флюктуации амплитуд δХ=|А-А|/А порядка и меньше 10% частицы равномерно-хаотично распределены в дисперсной среде, в интервале времени Δt при нулевой флюктуации амплитуд δХ=|А-А|/А=const структура дисперсных сред становится гомогенной, частицы растворяются в дисперсной среде.
Сущность заявленного изобретения поясняется иллюстрациями, представленными на Фиг. 1 - Фиг. 5.
На Фиг. 1 представлена блок-схема, на которой в лабораторных условиях Санкт-Петербургского государственного университета проводились в режиме реального времени исследования и апробация заявленного способа.
0
n
вз
На Фиг. 2 представлена динамика изменения A-A/L=α во взвеси частиц желатина при Т=30°С.
0
n
вз
На Фиг. 3 представлена динамика изменения A-A/L=α во взвеси частиц лактозы при Т=15°С.
На Фиг. 4 представлено время существования взвеси желатина (сплошные диаграммы) и лактозы (незаштрихованные диаграммы) от температуры дисперсной среды.
На Фиг. 5 представлены структуры взвесей лактозы при разных временах перемешивания.
Заявленное изобретение поясняется представленной на Фиг. 1 блок-схемой экспериментальной установки, которая содержит термостатированную акустическую ячейку 1, пьезодатчики 2 и 3, генератор ультразвуковых волн 4, приемник ультразвуковых волн 5, аттенюатор 6, осциллограф 7, анализатор импульсов 8, таймер 9, термостат 10, термометр 11 и мешалку 12.
В процессе испытаний заявленного способа измерение амплитуд и их сравнение проводились следующим образом.
n
Вначале в кювету (акустическую ячейку), заполненную дисперсной фазой, опускались пьезодатчики. Приемный пьезодатчик помещался на определенном расстоянии от излучающего пьезодатчика. Их плоскости устанавливались параллельно друг другу, и на экране осциллографа фиксировалась амплитуда первого прошедшего импульса, при этом отмечалось показание аттенюатора. При перемещении приемного пьезодатчика на фиксированные расстояния от излучающего пьезодатчика прошедшие импульсы, вследствие поглощения в исследуемой среде, уменьшались на некоторую величину. При помощи аттенюатора добивалась прежняя величина импульса на экране осциллографа. По градуировочной кривой аттенюатора находились логарифмические значения величин импульсов А, прошедших через исследуемую дисперсную систему, соответствующие показаниям давления p акустической волны. Затем строился график, по оси абсцисс которого откладывались расстояния, пройденные ультразвуковым импульсом в исследуемой среде, а по оси ординат соответствующие логарифмические величины. Тангенс угла наклона полученной прямой давал коэффициент поглощения УЗВ в дисперсной (несущей) среде [2]:
Погрешность измерения коэффициента поглощения 5% определялась погрешностью градуировки аттенюатора, измерений высоты импульса на экране осциллографа, расстояний между пьезодатчиками.
0
n
n
0
n
0
n
0
вз
вз
При определении структуры дисперсной среды сначала фиксировалась величина импульса А, прошедшего через дисперсную фазу расстояние L от излучателя до приемника. Затем в дисперсную фазу вносились частицы (диспергированная фаза). Частицы распределялись в кювете путем перемешивания дисперсной системы (гетерогенной системы) лопастной мешалкой. В первоначальное время смешения дисперсной и диспергированной фаз наблюдались скачки акустических импульсов, обусловленные процессом неравномерного распределения частиц в пространстве акустической ячейки (см. Фиг. 5). Фиксировались величины импульсов А, прошедших через взвесь расстояния L в соответствующие моменты времени t. Определялась разность амплитуд А-А. Вычислялась флуктуация амплитуд δХ=A-A/A. С увеличением времени перемешивания возникало относительно-равномерное распределение частиц в кювете (см. Фиг. 6). Флуктуация амплитуд импульсов уменьшалась, достигая величины порядка 10% и меньше, после чего проводилось измерение коэффициента поглощения УЗВ во взвесях α. Колебания значений коэффициентов поглощения α связаны с флуктуацией числа частиц в прожекторном луче УЗВ, что характерно при измерениях во взаимопроникающих дисперсно-гетерогенных континуумах [1]. Температура изменялась или поддерживалась постоянной в экспериментальной кювете с помощью термостата. Точность измерения температуры 0,1°С. Максимальная скорость изменения температуры 1°С в минуту. Время каждого измерения фиксировалось таймером.
вз
0
0
S
T
η
Теория микронеоднородных сред объясняет уменьшение акустической энергии ультразвука в дисперсных системах, возбуждением в дисперсной среде диспергированной фазой рассеянных, тепловых и вязких волн. Для коэффициента поглощения УЗВ, распространяющихся в дисперсных средах при малых концентрациях частиц (до 10%) и отсутствия взаимодействия между частицами получены следующие выражения [2]: α=α+Δα, где α - коэффициент поглощения в дисперсной фазе, Δα - дополнительное ослабление УЗВ, связанное с возбуждением вторичных волн на частицах: рассеянных α, тепловых α, вязких α волн.
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
где ρ, ρ - плотности дисперсной и диспергированной фаз соответственно, η, η- вязкости; β, β - сжимаемости; ε, ε - коэффициенты теплового расширения; χ, χ - теплопроводности; Cp, Ср - теплоемкости при постоянном давлении; N, R - концентрация, размер частиц; ω - частота; Т - температура; p - давление; с - скорость звука.
р
Приведенные выражения позволяют сделать вывод, что динамика Δα зависит от динамики физических величин R, η, c, ρ, С, входящих в формулу (2-4).
вз
вз
На Фиг. 2 приведена динамика α во взвеси желатина при температуре 30°С. Зависимость α=ƒ(t) объясняется тем, что в первоначальные моменты времени флуктуация сигнала δХ велика, что делает невозможным измерение коэффициента поглощения. По мере увеличения времени перемешивания, флуктуация сигналов уменьшается, достигая значения порядка 10%, становится возможным измерение коэффициента поглощения. При 30°С происходит процесс неограниченного растворения желатина и через 40 минут взвесь желатина становится гомогенной системой.
вз
вз
вз
На Фиг. 3 приведена зависимость α от времени во взвесях частиц лактозы при температуре 15°С. Как видно из графика, динамика α во взвесях лактозы подобна динамике α взвеси желатина. Частицы лактозы при температуре 15°С и концентрации 3% неограниченно растворяются в воде. Изменение гетерогенной структуры взвеси лактозы связано с механизмом растворения частиц в воде.
На Фиг. 4 сплошными диаграммами приведены зависимости времени существования взвеси желатина от температуры дисперсной среды, определяемой по времени существования Δα>0, незаштрихованными диаграммами дана зависимость между "временем жизни" дисперсной системы частиц лактозы в воде от температуры дисперсной фазы. "Время жизни" взвеси лактозы, так же как и во взвесях желатина, определяется временем, при котором дополнительный коэффициент поглощения УЗВ во взвесях Δα>0.
Результаты апробации заявленного изобретения впервые выявили области характерных структур гетерогенно-дисперсной системы: хаотично-неравномерную, где флуктуация δХ>0,1, хаотично-равномерную, где δХ<0,1 и переход гетерогенной структуры в гомогенную, где δX=const.
0
n
0
Было показано, что параметр |A-A|/А несет в себе информацию о кинетике протекании обменных процессов в дисперсных системах.
Результаты апробации представлены в виде конкретных примеров реализации, которые проводились на лабораторной базе Санкт-Петербургского государственного университета (СПбГУ) в режиме реального времени на основе многочисленных экспериментальных исследований ультразвукового способа контроля структуры взвеси частиц желатина.
Примеры конкретной реализации заявленного способа представлены в таблицах, которые составлены на основе полученных результатов экспериментальных исследований способа контроля структуры взвеси частиц желатина.
Пример
0
Первый этап: определяется коэффициент поглощения в дисперсной среде α. Данные приведены в таблице 1.
0
1
9
0
0
Кювета заполняется дисперсной фазой (вода), в которую опускаются излучающий и приемный пьезодатчики на определенном расстоянии L друг от друга, их плоскости устанавливаются параллельно друг другу. Включаем установку, измеряем амплитуду прошедшего импульса А. Перемещаем приемный пьезодатчик на расстояние  от излучающего пьезодатчика, фиксируем при помощи аттенюатора значения амплитуд величин импульсов A.…А на экране осциллографа, далее по градуировочной кривой аттенюатора находим логарифмические значения величин импульсов , строим график , тангенс угла наклона полученной прямой дает коэффициент поглощения α, что соответствует времени t.
Второй этап: определяем структуру взвеси при смешении дисперсной и диспергированной фаз.
0
n
0
n
0
После фиксации расстояния L между пьезодатчиками, включаем мешалку и вносим частицы желатина, объем которых составляет 3% вес. от дисперсной фазы. Фиксируем время внесения частиц в дисперсную фазу t. Измеряем зависимость величины прошедших импульсов A от времени. Определяем время больших флуктуаций δX=|A-A|/А>0,1. Данные приведены в таблице 2.
Увеличение времени перемешивания приводит к уменьшению флуктуаций амплитуд прошедших импульсов. Данные приведены в таблице 3.
Третий этап: определяем структуру взвеси при изменении температуры.
вз
n
0
При уменьшении флуктуации, когда δX<0,1, становится возможным определять изменение структуры взвеси от процесса растворения частиц. Данные приведены в таблице 4 и представлены на Фиг. 2. Начинаем измерение коэффициента поглощения α от времени t (n=1, 2, 3…) аналогично измерениям α.
Таким образом, определяется время существования хаотично-неравномерной структуры взвеси, время существования равномерно-хаотичной структуры взвеси и время перехода в гомогенную структуру раствора.
Заявленный ультразвуковой способ контроля дисперсных сред может быть применен в процессе микрокапсулирования в фармацевтической промышленности при капсулировании лекарственных препаратов, в противопожарной технологии при изготовлении огнетушащих, капсулированных материалов, например хладона 114, в 2. Достоинство заявленного способа состоит в том, что впервые предложен непосредственный контроль процесса растворения желатина-основного материала для создания оболочек микрокапсул. В настоящее время в процессе микрокапсулирования берется некоторое стандартное время, заведомо большее времени растворения желатина при конкретной температуре.
Применение ультразвукового способа контроля дисперсных сред непосредственно в технологическом процессе капсулирования позволит повысить производительность установок за счет сокращения времени. отводимого на этап растворения желатина. и приведет к удешевлению продукции на 15-20%.
Заявленный способ может успешно быть реализован в пищевой промышленности, особенно при выборе режима кристаллизации лактозы в сгущенных молочных и молокосодержащих продуктах. В настоящее время о динамике кристаллизации лактозы судят косвенно по плотности, коэффициенту динамической вязкости, коэффициенту однородности проб, отобранных в разные технологические этапы [9].
Применение ультразвукового способа контроля дисперсных сред непосредственно в технологическом процессе позволит сократить время получения оперативной, непосредственной информации о динамике кристаллизации лактозы и приведет к предположительному экономическому эффекту порядка 10-20%.
Источники информации
1. Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред. М: Наука. 1987.
2. Кольцова И.С. Распространение ультразвуковых волн в гетерогенных средах // СПб: СПбГУ. 2007. С. 245.
3. Курков А.В. Разработка методов и средств повышения информативности ультразвуковых измерений с помощью дефектоскопов общего назначения // Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. СПб. 2010.
4. Чуприн В.А. Разработка ультразвуковых приборов для диагностики состояния технологических жидкостей // Контроль. Диагностика. №10. 2011. с. 11-17.
5. Dukhin A.S., Goetz P.J. Ultrasound for characterizing colloids // Elsevier. 2002. P. 504.
6. Муратов Е.П., Марченко В.Г., Милешко В.А., Довбыш Е.В. // RU Патент 2324928. Опубл. 20.05.2008. Бюл. №14.
7. Битюков В.К., Хвостов А.А., Третьякова Н.Н. Способ ультразвукового контроля молекулярно-массового распределения полимера в растворе // RU 2475732 С1. Опубл. 20.02.2013. Бюл. №5.
8. Чуприн В.А., Чуприна Т.Ф. Ультразвуковой способ контроля концентрации магнитных суспензий // RU 2520166 С1. Опубл. 20.06.2014. Бюл.№17. (прототип)
9. Виноградова Ю.В. Температурный режим охлаждения консервированных молокосодержащих продуктов с сахаром и аппарат для его осуществления // Сб. статей. Вологда-Молочное: ИЦ ВГМХА. 2008. С. 123-126.