Жидкокристаллическая ячейка для индикации контроля и измерения уровня жидких сред

Денисова О. А. Denisova O. А.

доктор физико-математических наук, доцент, профессор кафедры «Физика», ФГБОУВО «Уфимский государственный нефтяной технический университет», г. Уфа, Российская Федерация

Абрамишвили Р. Л. AbramishvШ R. L.

аспирант кафедры «Управление и сервис в технических системах», ФГБОУ ВО «Уфимский государственный нефтяной технический университет», г. Уфа, Российская Федерация

УДК 621.38:669

ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ ЯЧЕЙКА ДЛЯ ИНДИКАЦИИ КОНТРОЛЯ И ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКИХ СРЕД

В статье описывается обновленная система измерения и контроля уровня жидких сред. Модернизирован хорошо известный емкостной метод определения уровня жидкостей. В новой схеме предлагается использование электрооптической ячейки с нематическим жидким кристаллом. Гомеотропно ориентированный жидкий кристалл помещается между двух пластин, одна из которых стеклянная, а другая — кристалл — фотопроводник сульфид кадмия CdS. ЖК-ячейка служит в качестве индикатора, светопропускание которого зависит от приложенного напряжения. Конструкция ячейки такова, что зависимость фазовой задержки от напряжения имеет линейный характер. В статье описывается математическая модель, демонстрирующая линейную зависимость, подтвержденную экспериментально. Применение линейного электрооптического эффекта, наблюдаемого в жидких кристаллах, позволяет повысить точность и скорость измерения уровня жидких сред, т.к. жидкий кристалл является анизотропной средой, более чувствительной по сравнению с твердыми кристаллами. Время релаксации ориентационных эффектов в жидких кристаллах порядка 10-6 с. С точки зрения практического значения, данный метод будет интересен для использования в топливно-энергетическом комплексе, в частности для нефтегазовой отрасли для коммерческого учета нефтепродуктов.

Ключевые слова: ЖК-ячейка, линейный электрооптический эффект, ЖК-датчик, емкостной метод, эффект Поккельса.

LIQUID CRYSTAL CELLS TO INDICATE THE MONITORING AND MEASURING THE LEVEL OF LIQUID MEDIA

This article describes an updated system for measuring and controlling the level of liquid media. Modernised well-known method for determining the capacitive liquid level. The new scheme proposes the use of electro-optical cell with a nematic liquid crystal. Homeotropically oriented liquid crystal placed between two plates, one of which is glass, and the other — crystal — cadmium sulfide CdS photoconductor. LCD — a cell serves as an indicator light transmittance, which depends on the applied voltage. Сell is designed so that the dependence of the phase delay of the voltage is linear. The paper describes a mathematical model showing linear dependence, confirmed experimentally. Use of linear electrooptic effect in liquid crystals is observed, to improve the accuracy and speed of measurement of liquids, as the liquid crystal is an anisotropic medium more sensitive than solid crystals. The relaxation time of orientation effects in liquid crystals of the order of 10-6. In terms of practical implications, this method will be of interest for use in the energy sector, in particular for the oil and gas industry for commercial accounting of petroleum products.

Key words: LCD-cell, linear electro-optic effect, LCD-sensor, a capacitive method, Pockels effect.

98 -

Electrical and data processing facilities and systems. № 1, v. 13, 2017

Введение

В настоящее время все более высокие требования предъявляются к точности измерений. Это связано с тем, что во многих отраслях народного хозяйства актуален вопрос измерения уровня жидкости, в особенности остро он стоит в нефтегазовой отрасли при коммерческом учете продуктов нефтепереработки.

На данный момент существует многообразие приборов и систем измерения уровня жидкости, которые основаны на различных физических явлениях [1]. Все более высокие требования предъявляются к надежности и быстродействию данных систем, что требует новых научно-технических решений. В ряде работ [2-4] авторами изучались экспериментально и теоретически различные эффекты, наблюдаемые в жидких кристаллах, которые могут лечь в основу разработок датчиков, применяемых для различных целей. Жидкие кристаллы (ЖК), как хорошо известно, — вещества очень чувствительные к внешним воздействиям, что позволит существенно повысить эффективность измерительных систем.

Описание метода

В статье предлагается высокоэффективный метод измерения уровня жидких сред, основанный на линейном электрооптическом эффекте в нематических жидких кристаллах (НЖК) [2-4]. Электрооптическим эффектом называют изменение показателя преломления вещества под действием электрического поля. Они бывают линейные и квадратичные. В твердых кристаллах (например стекле) различают эффект Поккельса — линейный электрооптический эффект. Он наблюдается, когда изменение показателя преломления вещества прямо пропорционально первой степени напряженности приложенного внешнего электрического поля Бп~Е. Эффект Керра, или квадратичный электрооптический эффект, имеет место, когда изменение показателя преломления прямо пропорционально квадрату напряженности воздействующего электрического поля Бп~ Е2.

В работе [5] исследовано электрическое двулучепреломление (эффект Керра) в расплаве гребнеобразного полимера с акриловой

основной цепью и мезогенными цианобифе-нильными боковыми группами при температуре выше фазового перехода смектик — изотропная фаза. Было обнаружено, что постоянная Керра изменяется скачкообразно в зависимости от температуры, что обусловлено изменением ближнего ориентационного порядка.

Использование в предлагаемой системе ЖК-ячейки дало увеличение быстродействия и точности измерений, а также повысило ее функциональные возможности, что стало возможным благодаря сильно выраженному ори-ентационному эффекту в жидких кристаллах, время релаксации которого 10-6 с [2-4].

В данной структурной схеме (рисунок 1) используется коаксиальный конденсатор, электроды которого соединены с ЖК-ячейкой. Он выполнен в виде полого цилиндрического электрода 1 и центрального электрода — стержня 2, соединен с электродами электрооптической ЖК-ячейки. Ячейка освещалась лазером 3, луч которого сначала проходил через поляризатор 4. Далее свет, прошедший через ячейку 5 и анализатор с фотоприемником 6, обрабатывается микроконтроллером 7, в составе которого присутствуют усилитель, аналого-цифровой преобразователь, а также микропроцессор. Данные с микроконтроллера поступают на автоматизированное рабочее

1 — полый цилиндрический электрод; 2 — центральный электрод — стержень; 3 — лазер; 4 — поляризатор; 5 — ЖК-ячейка; 6 — анализатор с фотоприемником; 7 — микроконтроллер, в составе которого имеются усилитель, аналого-цифровой преобразователь и микропроцессор; 8 — экран монитора

Рисунок 1. Структурная схема измерительной системы, основанной на линейном электрооптическом эффекте в НЖК

Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 1, т. 13, 2017

место оператора, где отображаются на экране монитора 8 в любом удобном виде.

Принцип работы электрооптической системы на нематических жидких кристаллах состоит в следующем: изменение уровня диэлектрической жидкости, находящейся между электродами 1 и 2 коаксиального измерительного конденсатора, вызывает изменение емкости данного конденсатора пропорционально изменению уровня жидкости. Это, в свою очередь, ведет к изменению реактивного сопротивления конденсатора и приводит к изменению падения на нем электрического напряжения.

ЖК-ячейка (рисунок 2) представляет собой систему из токопроводящего стекла, кристалла — фотопроводника CdS. На платины крепились электроды из двуокиси олова SnO2. Применение CdS обусловлено тем, что он является фотопроводником, и его проводимость можно изменять с помощью света различной интенсивности. Между платинами помещалась смесь нематического жидкого кристалла п-н-бутил-п -гептаноила-оксибензол + МББ А.

Молекулы жидкого кристалла имели гоме-отропную ориентацию. Такая ориентация получалась в результате ионной бомбардировки аргоном поверхностей SnO2 и CdS. Фазовая задержка света, проходящего через ЖК-ячейку, линейно зависит от напряжения, приложенного к пластинам ячейки [2-4].

Математическая модель.

Экспериментальные результаты

и их обсуждение

Рассмотрим математическую модель линейного электрооптического эффекта, наблюдаемого в нематических жидких кристаллах. Поскольку у нематика диэлектрическая проницаемость еа ~ 0, то его можно считать полубесконечным при условии, что при

Рисунок 2. Экспериментальная электрооптическая ЖК-ячейка

толщине жидкого кристалла z^<x, угол наклона молекул ЖК 6^0.

С учетом параметра дальнего порядка

s;(z) = Sw

' 5Л

где S10 — параметр порядка вблизи поверхности при отсутствии поля; к — толщина

жидкого кристалла; л =

, т.е. распре-

деление дипольного момента р уменьшается от электрода в глубь жидкого кристалла, как р| = рД = ро810вЪг; Ъ= -1/й, й~1-1 — эффективная глубина существования поверхностной поляризации; С^ =— и С = -¡е-кЪ

— константы, где а =

рЛоЕ

<L

, к — коэффици-

ент упругости, Е — напряженность электрического поля.

Уравнение состояния нематического жидкого кристалла будет иметь вид: квш+ЕРв8пё-*в = 0. Введем обозначения у-т]{§), 1; = е~*2,,

получим уравнение: :d2rj

d%2

-Л^1 + ат]

ад

О,

I.VZ

,, d az

его решение

V = 1/ с --Л/а,

далее при а<<1 получаем для изменения показателя преломления

д Р&0Е _ Ро^рЦ

к ~ а '

т.е. изменение показателя преломления ЖК зависит от приложенного напряжения электрического поля прямо пропорционально, что соответствует рисунку 3, б.

На рисунке 3 представлены кривые для фазовой задержки и интенсивности прошедшего через ЖК-ячейку света (длина волны 550 нм) в зависимости от напряжения. Они с большой точностью (< 10 %) (рисунок 3, б) описывают линейное изменение двойного лучепреломления ячейки (1).

Значение угла наклона молекул ЖК qo определяется из условия слабого сцепления на поверхности выражением пх£ [2-4]. Согласно предложенной математической модели, при наличии границ и анизотропного взаимодействия молекул ЖК с твердой подложкой в нематическом жидком кристалле образуется

Electrical and data processing facilities and systems. № 1, v. 13, 2017

a)

10 п

Д 8"

+ 6

f-1

M

S 12

U, В

б)

16

100° < « 30%

о -10%

Рисунок 3. Зависимости оптического сигнала от напряжения для различных величин засветки подложки

поляризованный слой — поверхностная поляризация с эффективной толщиной dэф ~ I-1. При воздействии электрического поля в объеме НЖК индуцируется поляризация, прямо пропорциональная параметру порядка Р ~ S величина которой в полях Е ~ 5-104 В/см по расчетам достигает Ру ~ 101-102 ед. СГСЕ/см3, а значение дальнего дипольного порядка в этом случае равно от 2-102 до 5-102.

Заключение

Таким образом, в статье предложена модернизированная емкостная система контроля и измерения уровня жидких сред. В этой системе в качестве индикатора применяется ЖК-ячейка, использование которой позволяет повысить эффективность измерений, т.е. быстродействие, чувствительность метода, а также его функциональные возможности. Данный метод может быть использован в топливно-энергетическом комплексе.

Список литературы

1. Раннев Г.Г. Методы и средства измерений. М.: Академия, 2008. 336 с.

2. Денисова О.А., Чувыров А.Н. Линейный продольный электро-оптический эффект в нематических жидких кристаллах // Жидкие кристаллы и их практическое использование. 2011. № 2. С. 59-61.

3. Денисова О.А., Чувыров А.Н. Структурные переходы в жидких кристаллах. Влияние осциллирующих потоков и электрических полей. Германия, Lap Lambert, 2012. 267 c.

4. Денисова О.А., Чувыров А.Н. Влияние электрофотовозбуждения поверхности на граничные условия и ориентацию молекул нема-тического жидкого кристалла // Башкирский химический журнал. 2011. Т. 18. № 3. С. 77-79.

5. Алексеев А.М., Бузин А.И. Методы СЗМ исследований полимеров // Соросовский образовательный журнал. 1998. № 3. С. 75-79.

References

1. Rannev G.G. Metody i sredstva izmerenii. M.: Akademiya, 2008. 336 s.

2. Denisova O.A., Chuvyrov A.N. Lineinyi prodol'nyi elektro-opticheskii effekt v nematicheskikh zhidkikh kristallakh // Zhidkie kristally i ikh prakticheskoe ispol'zovanie. 2011. № 2. S. 59-61.

3. Denisova O.A., Chuvyrov A.N. Strukturnye perekhody v zhidkikh kristallakh. Vliyanie ostsilliruyushchikh potokov i elektricheskikh polei. Germaniya, Lap Lambert, 2012. 267 c.

4. Denisova O.A., Chuvyrov A.N. Vliyanie elektrofotovozbuzhdeniya poverkhnosti na granichnye usloviya i orientatsiyu molekul nematicheskogo zhidkogo kristalla // Bashkirskii khimicheskii zhurnal. 2011. T. 18. № 3. S. 77-79.

5. Alekseev A.M., Buzin A.I. Metody SZM issledovanii polimerov // Sorosovskii obrazovatel'nyi zhurnal. 1998. № 3. S. 75-79.

-101

Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 1, т. 13, 2017