УСТРОЙСТВО ДИНАМИЧЕСКОГО ИЗМЕРЕНИЯ МЕЖФАЗНОГО НАТЯЖЕНИЯ НА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА ДВУХ ЖИДКОСТЕЙ

Область техники, к которой относится полезная модель
Данная полезная модель относится к устройству динамического измерения межфазного натяжения на границе раздела двух жидкостей и может использоваться, в частности, для определения межфазного натяжения изоляционных жидкостей, в том числе трансформаторных масел на границе с водой по методу «объема капли».
Уровень техники
В настоящее время известно определение межфазного натяжения изоляционных жидкостей по методу «объема капли», при котором измеряют размерные характеристики капель, падающих из иглы или пипетки. Например, в патентах РФ №№2711148 (опубл. 15.01.2020), 2747460 (опубл. 05.05.2021), 2748725 (опубл. 31.05.2021), а также в заявке США №2009/0320568 (опубл. 31.12.2009), в заявке Китая №110927022 (опубл. 27.03.2020) описаны устройства, которые измеряют размерные характеристики падающих из иглы или пипетки капель по их видеоизображениям. Можно указать заявку США №2021/0389221 (опубл. 16.12.2021), в которой описано устройство, измеряющее радиус нити, формируемой из капли вязкой жидкости. Использование видео датчиков усложняет применяемые устройства.
В качестве ближайшего аналога выбран патент РФ №2759874 (опубл. 18.11.2021), в котором раскрыта система измерения межфазного натяжения между двумя флюидами, обеспечивающая регистрацию капель, создаваемых каплю на торце иглы, с помощью снимка в рентгеновских лучах. Эта система содержит рентгенопрозрачную термоустойчивую ячейку, предназначенную для размещения в ней первой жидкости; резервуар, предназначенный для второй жидкости; капилляр, опускаемый нижним торцом на заданную глубину в первую жидкость в ячейке; датчик рентгеновского изображения для регистрации капель второй жидкости, падающих из упомянутого капилляра; вычислительное средство, предназначенное для регистрации показаний датчика и для определения межфазного натяжения.
Использование источника рентгеновского излучения не только усложняет данную систему, но и создает радиационную опасность для оператора.
Раскрытие полезной модели
Настоящая полезная модель решает задачу преодоления недостатков уровня техники и достижения технического результата в виде упрощения с одновременным расширением арсенала технических средств.
Для решения указанной задачи и достижения отмеченного технического результата предложено устройство динамического измерения межфазного натяжения на границе раздела двух жидкостей, содержащее: емкость, предназначенную для размещения в ней первой жидкости с меньшей плотностью; резервуар, предназначенный для размещения в нем второй жидкости с большей плотностью; капилляр, соединенный с резервуаром и опускаемый нижним торцом на заданную глубину в первую жидкость в емкости, устанавливаемой под капилляром; дозатор, предназначенный для регулируемой подачи второй жидкости из резервуара в капилляр; датчик, предназначенный для регистрации капель второй жидкости, падающих из капилляра, и установленный рядом с емкостью ниже уровня среза нижнего торца капилляра; вычислительное средство, предназначенное для управления дозатором, для регистрации периода времени между падением капель по показаниям датчика, для расчета объема капель и для определения межфазного натяжения.
Особенность устройства по настоящей полезной модели состоит в том, что дозатор может быть выполнен в виде поршня в резервуаре, приводимого в движение шаговым приводом, обеспечивающим перемещение на каждом шаге заданного объема второй жидкости к капилляру.
Другая особенность устройства настоящей полезной модели состоит в том, что капилляр может иметь шлифованный нижний торец.
Ещё одна особенность устройства настоящей полезной модели состоит в том, что ёмкость может иметь по меньшей мере одну прозрачную боковую стенку, а датчик может быть выполнен оптическим и установлен перед этой прозрачной стенкой.
Ещё одна особенность устройства настоящей полезной модели состоит в том, что оно может дополнительно содержать: первый и второй термометры, выполненные с возможностью подключения к вычислительному средству и предназначенные для измерения температуры, соответственно, в пространстве, где размещены ёмкость и резервуар, и в ёмкости; при этом вычислительное средство выполнено с возможностью сравнения и запоминания показаний первого и второго термометров.
При этом устройство по настоящей полезной модели может дополнительно содержать термостатирующее средство, размещённое в пространстве, где размещены ёмкость и резервуар, и выполненное с возможностью подключения к вычислительному средству, выполненному с возможностью управления термостатирующим средством для достижения изотермического режима в упомянутом пространстве.
Наконец, ещё одна особенность устройства настоящей полезной модели состоит в том, что оно может дополнительно содержать плотномер, предназначенный для измерения плотности первой жидкости и выполненный с возможностью подключения с вычислительным средством, выполненным с возможностью регистрации плотности первой жидкости и использования этого значения для определения межфазного натяжения.
Подробное описание вариантов осуществления
Настоящая полезная модель описана далее со ссылками на приложенный чертёж. Как показано на чертеже, устройство динамического измерения межфазного натяжения на границе раздела двух жидкостей по настоящей полезной модели содержит ёмкость 1, которая представляет собой выполненный в виде цилиндра или параллелепипеда сосуд, например, из
3
стекла, пластмассы, керамики объемом от 10 до 200 см, предназначенный для размещения в нем первой жидкости 2, имеющей меньшую плотность. Предпочтительно, емкость 1 может быть выполнена в виде пробоотборника и в простейшем случае представляет собой шприц, в который набирается первая жидкость 2, после чего этот шприц помещается в предназначенное для него место в устройстве по настоящей полезной модели.
3
Устройство по настоящей полезной модели содержит резервуар 3, который может быть выполнен в виде цилиндра из металла, стекла, пластмассы объемом от 5 до 100 см, предназначенный для размещения в нем второй жидкости 4, имеющей большую плотность, нежели первая жидкость 2. В случае использования устройства по настоящей полезной модели для определения межфазного натяжения изоляционных жидкостей, в том числе трансформаторных масел, на границе с водой первой жидкостью 2 с меньшей плотностью будет изоляционная жидкость (чаще всего трансформаторное масло), а второй жидкостью 4 с большей плотностью будет вода. Резервуар 3 со второй жидкостью 4 может располагаться сбоку от емкости 1.
Резервуар 3 соединен в своей нижней части с капилляром 5, выполненным, например, из стали, латуни, алюминия или иного подходящего материала. Внутренний диаметр капилляра определяется используемой второй жидкостью 4 и для воды может составлять 0,5-5,0 мм. Нижний торец капилляра 5 срезан перпендикулярно к оси капилляра и предпочтительно отшлифован (в соответствии с ГОСТ 50097-92) для обеспечения беспрепятственного формирования на нем капель второй жидкости 4.
Капилляр 5 должен вертикально опускаться своим нижним торцом на заданную глубину в первую жидкость 2 в емкости 1, которая устанавливается в устройстве по настоящей полезной модели под капилляром 5. Упомянутая заданная глубина должна быть достаточной для того, чтобы капли второй жидкости 4 могли свободно формироваться на нижнем торце капилляра 5 внутри первой жидкости 2 в емкости 1 и, оторвавшись от капилляра 5, опускаться на дно этой емкости 1.
На чертеже ссылочной позицией 6 обозначен дозатор, предназначенный для регулируемой подачи второй жидкости 4 из резервуара 3 в капилляр 5. В предпочтительном варианте осуществления дозатор 6 выполнен в виде поршня 7 в резервуаре 3, приводимого в движение шаговым приводом 8, который заставляет поршень 7 перемещать на каждом шаге заданный объем второй жидкости 4 к капилляру 5. Специалистам понятно, что дозатор может иметь и иное известное выполнение, которое обеспечит дозированную подачу (т.е. заранее известный объем) второй жидкости 4 к капилляру 5.
На чертеже показан датчик 9, предназначенный для регистрации капель второй жидкости 4, падающих из капилляра 5. Датчик 9 установлен рядом с емкостью 1 по высоте ниже уровня среза нижнего торца капилляра 5. Этот уровень показан на чертеже горизонтальной пунктирной линией, проходящей по нижнему краю капилляра 5. Датчик 9 может иметь любое исполнение, которое обеспечит регистрацию капель второй жидкости 4. Например, датчик 9 может быть выполнен в виде конденсатора, между обкладками которого располагается емкость 1; либо датчик 9 может быть выполнен ультразвуковым и снабжен соответствующим генератором и приемником ультразвука. В предпочтительном варианте осуществления датчик 9 выполнен оптическим, к примеру, в виде фотодиода или фоторезистора. При этом емкость 1 имеет по меньшей мере одну прозрачную боковую стенку, перед которой и установлен датчик 9 (проще всего это достигается выполнением емкости 1 в виде пробоотборника из стекла или прозрачной пластмассы).
На чертеже ссылочной позицией 10 обозначен держатель для емкости 1. Держатель 10, во-первых, фиксирует емкость 1 в вертикальном положении внутри устройства, а во-вторых, блокирует перемещение поршня в емкости 1, если она выполнена в виде шприца, как упомянуто выше. Фиксация держателя 10 может осуществляться любыми известными средствами, зависящими от конкретного выполнения этого держателя 10. В частности, он может быть выполнен с возможностью крепиться винтами, на защелке или примагничиваться.
В предпочтительном варианте осуществления устройство по настоящей полезной модели может дополнительно содержать два термометра (не показаны на чертеже). Первый термометр предназначен для измерения температуры в пространстве, где размещены емкость 1 и резервуар 3, условно очерченном на чертеже пунктирной линией, обозначенной ссылочной позицией 11. Второй термометр предназначен для измерения температуры в емкости 1.
Кроме того, устройство по настоящей полезной модели может предпочтительно содержать термостатирующее средство (не показано на чертеже), размещенное в пространстве 11. Такое средство может быть выполнено на основе эффекта Пельтье, что обеспечивает как нагревание, так и охлаждение, т.е. полное термостатирование объема в пространстве 11.
Устройство по настоящей полезной модели может содержать далее плотномер 12, предназначенный для измерения плотности первой жидкости. В качестве такого плотномера может использоваться обычный ареометр, погружаемый в отдельный сосуд, куда наливается первая жидкость. В предпочтительном варианте осуществления в качестве плотномера 12 можно применить, например, вибрационный измеритель плотности жидкостей типа ВИП-2МР ООО «Термекс» (https://termexlab.ru/#!/ru/) или подобный ему прибор, который может быть встроен в устройство по настоящей полезной модели.
Устройство по настоящей полезной модели содержит вычислительное средство 13, которое может быть выполнено на базе программируемого процессора, контроллера, либо на элементах программируемой логики. Вычислительное средство 13 соединено с шаговым приводом 8 дозатора 6, датчиком 9 и может быть соединено с двумя вышеупомянутыми термометрами и средством термостатирования, а также с плотномером 12, если он имеет соответствующий выход. При этом вычислительное средство 13 выполнено (путем соответствующего программирования) для управления шаговым приводом 8 дозатора 6, для регистрации периода времени между падением капель по показаниям датчика 9, для расчета объема капель и для определения межфазного натяжения. В частности, для вычисления межфазного натяжения вычислительное средство 13 может воспринимать и регистрировать плотность первой жидкости (к примеру, трансформаторного масла), измеренную плотномером 12, и использовать это значение в дальнейших расчетах. В противном случае значение плотности первой жидкости можно вводить в вычислительное средство 13 вручную. Вычислительное средство 13 может быть дополнительно запрограммировано для сравнения и запоминания показаний двух упомянутых выше термометров, а также для управления термостатирующим средством для достижения изотермического режима в пространстве 11. Результаты работы вычислительного средства 13 могут быть выведены на экран для восприятия оператором и (или) переданы на внешнее устройство регистрации.
Устройство динамического измерения межфазного натяжения на границе раздела двух жидкостей по настоящей полезной модели работает следующим образом.
Емкость 1 с пробой первой жидкости 2 (например, трансформаторного масла) помещают на предназначенное для нее место (в частности, в держателе 10), погружая нижний конец капилляра 5 на заданную глубину от поверхности первой жидкости 2 (трансформаторного масла). Эта глубина может составлять от 5 до 50 мм. Резервуар 3 со второй жидкостью 4 (в данном случае, водой) располагается сбоку от емкости 1 и соединяется с капилляром 5 трубопроводом соответствующего ему диаметра. При наличии термостатирующего средства и термометров с помощью вычислительного средства 13, использующего сигналы этих термометров, в пробе первой жидкости 2 устанавливают изотермический режим, после чего начинают процесс измерений. В отсутствие термостатирующего средства процесс работы проводят с фиксацией показаний термометров, измеряющих температуру в пространстве 11 ив первой жидкости 2. В отсутствие термометров к работе приступают непосредственно после установки емкости 1 под капилляр 5.
Процесс измерений начинается с включения дозатора 6, который подает вторую жидкость 4 (воду) из резервуара 3 в капилляр 5. При выполнении дозатора 6 в соответствии с чертежом этот процесс состоит в следующем. По сигналу с вычислительного средства 13 шаговый привод 8 начинает пошагово перемещать поршень 7. Вычислительное средство 13 подсчитывает число шагов, сделанных шаговым приводом 8, пока на очередном шаге на нижнем торце капилляра 5 не сформируется капля второй жидкости 4 (воды), которая при достижении определенного объема отрывается от капилляра 5 и падает на дно емкости 1. Проходя мимо датчика 9, капля вызывает его срабатывание, датчик 9 регистрирует время начала прохождения капли с высокой точностью и дает команду в вычислительное средство 13, которое обнуляет счет шагов. По известному объему второй жидкости 4, перемещаемому на каждом шаге, и подсчитанному числу шагов до отрыва капли вычислительное средство 13 вычисляет объем сформированной капли. При этом шаговый привод 8 не останавливается, продолжается формирование следующей капли, и процесс повторяется до конца измерений (количество капель в серии задается оператором. Предпочтительное количество капель в серии - 10 шт.).
После завершения формирования серии капель вычислительное средство 13 определяет средний объем V капли в серии и подсчитывает межфазное натяжение по формуле:
где МН - межфазное натяжение, мН/м;
3
Δр - разность плотности между второй и первой жидкостями, г/см;
3
V - средний объем капли, см;
2
g - ускорение свободного падения, равное 981 см/с;
r - наружный радиус капилляра, см;
ƒ - коэффициент коррекции.
Коэффициент ƒ коррекции определяется по таблицам, заранее составленным в ходе калибровки устройства по настоящей полезной модели, и зависит от используемых жидкостей, температуры измерений и некоторых конструктивных параметров капилляра.
В случае использования измерительного плотномера 12 при вычислении межфазного натяжения в вычислительном средстве 13 используется результат измерений этого плотномера 12.
Таким образом, в устройстве по настоящей полезной модели, помимо расширения арсенала технических средств, достигается упрощение за счет отказа от сложных видео- или рентгеновских датчиков. Кроме того, поскольку, в отличие от методики по ГОСТ 50097-92, согласно которой требуется переливание пробы первой жидкости 2 из пробоотборника в специальную колбу, в данном устройстве для измерений используют сам пробоотборник (емкость 1). Поэтому представительность пробы не нарушается и требуется меньшее количество самой пробы, что является дополнительным техническим результатом.