Измеритель параметров поверхности жидкости
LIQUID SURFACE PARAMETERS GAGE

Изобретение относится к области физико-химических исследований, а точнее, низкочастотной диэлектрометрии и может быть использовано для измерения и контроля поверхности жидкостей, в частности, водных растворов химической и биологической природы, в различных технологических процессах, медицинской диагностике и биофизических исследованиях.
Известен экспериментальный метод измерения свойств жидкости с помощью определения параметров капиллярных волн на границе раздела фаз воздуха и жидкости [Maloy K.J., Feder J., Jossang, Т. An experimental technique for measurements of capillary waves. Rev. Sci. Instrum. 1989. 60. 481-486.]. В качестве генератора волнового процесса использовалась колеблющаяся струна. Капиллярные волны регистрировались с помощью лазерного луча, отраженного от границы раздела фаз. Измеренные параметры капиллярных волн на поверхности жидкости позволили вычислить поверхностное натяжение и вязкость жидкости. Была обнаружена дисперсионная зависимость капиллярных волн, а также коэффициент пространственного затухания и волновое число, согласующиеся с результатами, полученными динамическим рассеянием света и механическими методами.
К недостатком этого метода можно отнести небольшую амплитуду капиллярных волн, что требует высокой звуковой изоляции измерительной установки и учета контакта вибрирующего элемента генератора с поверхностью жидкости.
Прототипом предлагаемого устройства является конструкция, которая содержит генератор переменного тока, подающий напряжение на электродинамический вибратор, связанный со стеклянной палочкой - возбудителем капиллярных волн, плоскую металлическую пластину, образующую с поверхностью жидкости динамический конденсатор и вспомогательный электрод для измерения капиллярных волн. [Авт. свид. СССР №1260753 Устройство для определения поверхностного натяжения и вязкоупругих параметров жидкости / Носков Б.А., Кочурова Н.Н., Русанов А.И. Опубл. в Б.И., 1986, N3.].
Устройство работает следующим образом. В рабочую емкость заливают исследуемую жидкость, над поверхностью которой помещают плоскую прямоугольную пластину так, чтобы узкая грань была параллельной поверхности жидкости. В жидкость вводится платиновый вспомогательный электрод в виде проволоки диаметром 0,5 мм на глубину 10 мм. Генератор переменного тока устанавливают на частоту 220 Гц и напряжение
амплитуды сигнала 3 В. Механический возбудитель капиллярных волн представляет собой стеклянную палочку, опущенную в жидкость и соединенную с электродинамическим вибратором. Для фиксированного значения разности фаз колебаний определяют длину капиллярной волны, а по изменению амплитуды электрического сигнала, пропорционального амплитуде волны, определяют коэффициент затухания капиллярных волн.
Недостатками устройства являются наличие контакта вибрирующего элемента генератора с поверхностью жидкости, что неизбежно приводит к значительным погрешностям результатов измерения за счет налипания пленок поверхностных веществ на вибрирующий стержень и неконтролируемо изменяет угол смачивания.
Технический результат, получаемый при использовании предлагаемого устройства, заключается в повышении точности измерений и сокращении времени измерений.
Указанный технический результат достигается тем, что в измерителе параметров жидкостей, содержащем кювету для жидкости, генератор, связанный с системой создания на поверхности жидкости капиллярных волн и системой регистрации характеристик колебаний жидкости, система создания на поверхности жидкости капиллярных волн выполнена в виде металлического цилиндрического электрода, расположенного параллельно над поверхностью жидкости, а система регистрации колебаний жидкости представляет собой две оптопары, расположенные на различном расстоянии от генератора под дном прозрачной кюветы.
Конструкция устройства позволяет осуществлять измерения поверхностных свойств жидкости за короткий промежуток времени, что сокращает издержки процесса контроля различных веществ и, очень важно, в медицинской диагностике при необходимости экспресс анализа биологических жидкостей человека во время операций или лечебных процедур. В качестве генератора капиллярных волн используется металлический цилиндр, ось которого параллельна поверхности жидкости. Приложенное переменное напряжение к цилиндрическому электроду, создает колебательный процесс в жидкости и распространение капиллярных волн, изменение амплитуды которых регистрируется двумя оптическими датчиками, расположенными на расстоянии 20 и 40 мм от генератора под прозрачным дном кюветы. Искривление поверхности воды над датчиком от горизонтального положения приводит к изменению светового потока, отраженного от поверхности, что и регистрируется оптическим устройством. Отношение максимальных амплитуд, измеренных датчиками, определяет коэффициент затухания, а фиксированное значение разности фаз между сигналами - длину волны. Далее с помощью уравнений гидродинамики вычисляется поверхностное натяжение жидкости.
На Фиг. 1 представлена схема измерительной установки, где 1 - цилиндрический электрод; 2 - усилитель электрического сигнала; 3 - ЦАП - цифроаналоговый преобразователь; 4 - прозрачная кювета; 5 - измеряемая жидкость; 6 - подставка для кюветы; 7, 8 - оптопары; 9 - компьютер.
В предлагаемом устройстве используется генерация капиллярных акустических волн с помощью электрического поля. Электрическое поле взаимодействуя с жидкостью, приводит к деформации ее свободной поверхности вследствие явления электрострикции. В качестве генератора капиллярных волн используется металлический цилиндр диаметром 2 мм, расположенный параллельно поверхности жидкости на расстоянии 1 мм. Между цилиндром и поверхностью жидкости в малом объеме создается сильное неоднородное электрическое поле. Жидкость как диэлектрик с диэлектрической проницаемостью существенно большей, чем у воздуха втягивается в область сильного поля, где энергия системы поле-жидкость уменьшается, т.е. жидкость притягивается к цилиндру. Этому противодействуют силы поверхностного натяжения и тяжести. Прикладывая переменное напряжение частотой 100 Гц (длительность генерации в одном кадре 256 мс) и амплитудой 2 кВ к цилиндрическому электроду, мы создаем колебательный процесс в жидкости и распространение капиллярных волн, изменение амплитуды которых регистрируется двумя оптическими датчиками, расположенными на расстоянии 20 и 40 мм от генератора. Отношение максимальных амплитуд, измеренных датчиками, определяет коэффициент затухания, а сдвиг фаз между сигналами - длину волны.
Измерение диэлектрических характеристик поверхности жидкостей с помощью данного устройства выполняется следующим образом. В прозрачную кювету (4), выполняющую роль рабочей емкости, заливают исследуемую жидкость (5), на поверхность которой вводят контролируемое вещество, например, липидный бислой. Прикладывая переменное напряжение частотой 100 Гц (длительность генерации в одном кадре 256 мс) и амплитудой 2 кВ к цилиндрическому электроду (1), создается колебательный процесс в жидкости и распространение капиллярных волн, изменение амплитуды которых регистрируется двумя оптическими датчиками (7, 8), расположенными на расстоянии 20 и 40 мм от генератора. Измеряя отношение максимальных амплитуд капиллярных волн, измеренных датчиками и АЦП (3), определяют коэффициент затухания, а сдвиг фаз между сигналами - длину волны. Далее с помощью соотношений гидродинамики вычисляется поверхностное натяжение жидкости.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет использовать бесконтактную генерацию капиллярных акустических волн с помощью электрического
поля, которое приводит к деформации ее свободной поверхности вследствие явления электрострикции и обеспечивает повышение чувствительности результатов измерений диэлектрических параметров контролируемой жидкости. Кроме того, упрощается конструкция устройства за счет исключения стеклянного стержня, который необходимо тщательно промывать или же менять перед каждым измерением, что сокращает время измерений, что очень важно в медицинской диагностике при необходимости экспресс анализа биологических жидкостей человека во время операций или лечебных процедур.