СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ ГАЗА В ИНДИВИДУАЛЬНЫХ МИКРОСФЕРАХ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF DETERMINING GAS PRESSURE IN INDIVIDUAL MICROSPHERES AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к методам определения свойств микросфер и может быть использовано для измерения газосодержания в индивидуальных микросферах, изучения динамики истечения газа из микросфер и определения разброса давления в партии микросфер.
Известен способ определения давления газа в микросферах, заключающийся в измерении внутреннего диаметра микросферы, помещении ее в вязкую прозрачную среду (глицерин) с последующим разрушением и улавливанием выделившегося газа. Определение давления газа в микросфере производят путем сравнения внутреннего объема микросферы и объема пузырька газа, выделившегося после его разрушения (Сверхпрочные микробаллоны для хранения водорода. Т.220. Труды ФИАН,  1992, с.199).
При патентно-информационном поиске не выявлено аналогов устройства для определения давления газа в индивидуальных микросферах.
Недостатком данного способа является то, что при разрушении микросферы в глицерине образуется газовая полость неправильной формы и при определении объема выделившегося газа возникают значительные погрешности в измерениях газового пузырька произвольной формы, что отрицательно сказывается на конечном результате.
Задачей заявляемого изобретения является разработка способа и устройства, позволяющих упростить процедуру измерения и повысить точность определения давления газа в индивидуальных микросферах.
Технический результат от использования предлагаемого изобретения заключается:
- в определении точного значения давления газа в индивидуальных микросферах при их разрушении одноосным сжатием;
- в определении динамики истечения газа в партии микросфер;
- в определении разброса давления газа в партии микросфер.
Для решения указанной задачи и достижения технического результата предложены способ и устройство для определения давления газа в индивидуальных микросферах. Заявленный способ определения давления газа в индивидуальных микросферах заключается в измерении внутреннего диаметра микросферы, помещении ее в вязкую прозрачную среду, разрушении микросферы и улавливании выделившегося газа с последующим определением давления по отношению объема образовавшегося газового пузырька к внутреннему объему микросферы. Согласно изобретению в нем разрушение микросферы осуществляют между двумя прозрачными пластинами.
Улавливание выделившегося газа производится в вязкой жидкости между прозрачными пластинами, которые устанавливают параллельно, и разрушение микросферы осуществляют вертикальным перемещением, по крайней мере, одной прозрачной пластины.
Способ предусматривает также вариант, когда прозрачные пластины, между которыми образовался газовый пузырек, выставляют параллельно после разрушения микросферы, после чего и определяют объем газового пузырька.
Устройство для определения давления газа в индивидуальных микросферах содержит две прозрачные пластины, на нижней пластине расположена капля вязкой прозрачной среды для помещения в нее микросферы, а пластины установлены в оправах с возможностью вертикального перемещения, по крайней мере, одной из них, до обеспечения фиксированного зазора высотой меньше диаметра микросферы.
Для обеспечения фиксированного зазора устройство может содержать упоры, расположенные между пластинами, при этом высота упоров меньше диаметра микросферы.
Средства для перемещения прозрачных пластин могут быть выполнены в виде установленных на оправе одной из пластин не менее 3-х вертикальных направляющих с пружинными элементами, а в оправе другой пластины выполнены отверстия для движения по направляющим, при этом каждая направляющая снабжена гайкой.
В другом варианте устройства внешняя поверхность оправы нижней пластины выполнена цилиндрической и является направляющей для вертикального перемещения верхней пластины. Между оправами установлен пружинный элемент, а перемещение пластины происходит с помощью резьбового соединения.
Сущность заявленного изобретения заключается в том, что разрушение микросфер производится между прозрачными (например, стеклянными) пластинами в капле прозрачной вязкой среды (например, в масле), помещенной на нижнюю пластину. Одна из прозрачных пластин перемещается к другой до контакта с упором, высота которого меньше диаметра микросферы. Упор, расположенный между пластинами, определяет зазор при схождении пластин и обеспечивает их параллельность. При разрушении микросферы между двух параллельных горизонтально расположенных пластин выделившейся газ образует в масле полость цилиндрической формы, объем которой соответствует объему выделившегося газа. Объем газа рассчитывается по площади основания цилиндра и зазору с учетом объема мениска, образующегося при контакте масла с пластиной. Следует отметить, что использование упора в устройстве облегчает обеспечение параллельности пластин, однако схождение пластин может проводиться и без упора. В этом случае схождение пластин проводится до момента разрушения микросфер, а затем пластины выставляют параллельно. После этого измеряется расстояние между пластинами, что позволяет определить зазор между ними, рассчитать объем выделившегося газа и давление газа в микросфере. Использование прозрачных пластин для разрушения микросферы в масле и улавливание образовавшегося между ними пузырька газа, имеющего цилиндрическую (при параллельности пластин) форму с мениском, облегчает проведение расчета и повышает точность определения количества газа и давления в микросфере. Пластины могут быть установлены не параллельно, тогда при расчете объема газа учитывается образовавшаяся геометрическая форма газового пузырька.
Вертикальное перемещение пластин может осуществляться различными средствами. Устройство может содержать вертикальные направляющие (не менее трех), установленные на оправе одной из прозрачных пластин, при этом в оправе другой пластины выполнены отверстия для движения ее по направляющим. Каждая направляющая снабжена пружинным элементом, установленным между оправами пластин, что предохраняет пластины от повреждения при сближении под действием гаек. В другом варианте исполнения устройства внешняя поверхность оправы нижней пластины выполнена цилиндрической и является направляющей для вертикального перемещения верхней пластины. Между оправами установлен пружинный элемент, предохраняющий пластины от повреждения. Перемещение верхней пластины происходит с помощью резьбового соединения при взаимодействии верхнего торца гайки с оправой верхней пластины.
Заявляемые способ и устройство позволяют упростить процедуру измерения и повысить точность определения давления газа в индивидуальных микросферах. На основании полученных данных по давлению газа в индивидуальных микросферах определяют динамику истечения газа из микросфер в партии и определяют разброс давления газа в измеряемой партии микросфер.
На фиг.1 изображено устройство для определения давления газа в микросферах с вертикальными направляющими.
На фиг.2 изображено устройство для определения давления газа в микросферах с цилиндрической направляющей.
На фиг.3 приведена схема расчета объема мениска газового пузырька.
На фиг.4 представлено распределение давления в алюмосиликатных зольных микросферах, наполненных неоном, в зависимости от времени хранения.
На фиг.5 представлена зависимость давления в алюмосиликатных зольных микросферах, наполненных неоном, от времени хранения.
На фиг.6 представлено изменение давления в алюмосиликатных зольных микросферах двух партий, наполненных водородом в зависимости от времени хранения.
На фиг.7 представлено изменение давления в стеклянных микросферах МС-А9 грА1, наполненных гелием в зависимости от времени хранения.
На фиг.8 представлено изменение давления в алюмосиликатных зольных микросферах, наполненных неоном в зависимости от времени хранения.
На фиг.9 приведено соотношение объемов газового пузырька с учетом и без учета мениска в зависимости от размера газового пузырька между двух параллельных пластин с зазором 100 мкм.
Устройство состоит из прозрачных пластин (например, стеклянных) 1 и 2 в оправах 3 и 4 соответственно.
В устройстве, изображенном на фиг.1, на оправе 4 пластины 2 установлены средства 5 для перемещения прозрачной пластины 1, снабженные пружинными элементами 6, например, из резины. Средства 5 для перемещения прозрачной пластины выполнены в виде вертикальных направляющих, а в оправе 3 выполнены отверстия для движения пластины 1 по направляющим 5. Каждая направляющая снабжена гайкой 7 для перемещения пластины 1 вертикально вниз.
В устройстве, изображенном на фиг.2, внешняя поверхность нижней оправы 4 выполнена цилиндрической и является направляющей для вертикального перемещения пластины 1. Между оправами 3 и 4 установлен пружинный элемент 6. Гайка 7, перемещаясь по внешней поверхности нижней оправы 4, которая является направляющей, опускает оправу 2 с пластиной 1 вниз.
На фиг.3 изображена капелька масла 9, в которую помещают исследуемую микросферу, и пузырек 10 газа, выделившегося после разрушения микросферы. Между прозрачными пластинами 1 и 2 размещен упор 8.
Устройство работает следующим образом. Исследуемая микросфера помещается на нижнюю стеклянную пластину 2 в капельку масла 9. Верхняя стеклянная пластина 1, закрепленная в оправе 3, по направляющим 5 (фиг.1) или по цилиндрической внешней поверхности нижней оправы, являющейся направляющей (фиг.2), опускается на пружинный(ые) элемент(ы) 6, которые предохраняют от удара и обеспечивают предварительный зазор между стеклами ~ 2 мм. Далее гайкой(ми) 7 верхняя пластина 1 равномерно осаживается до соприкосновения с микросферой и производится измерение внешнего диаметра микросферы. Затем верхняя пластина 1 равномерно опускается до упора(ов) 8, при этом микросфера разрушается.
Высота упора 8 должна быть меньше диаметра исследуемых микросфер. При закручивании гаек 7 до упора 8 микросфера разрушается, и выделившийся из микросферы газ 10 образует в масле полость цилиндрической формы (фиг.3), где высота цилиндра h определяется высотой зазора. Измерение внешнего диаметра микросферы и объема полости проводится на оптическом микроскопе.
Примеры конкретного выполнения.
Пример 1
×
Определение давления в алюмосиликатных зольных микросферах ТУ У В2.7-14.2-31925959-001-2007, наполненных неоном. На нижнее стекло устройства (фиг.1) при помощи стеклянной трубочки наносится капля масла, в которую помещается микросфера. Верхняя пластина 1 устройства опускается до соприкосновения с микросферой, после чего определяется внешний диаметр исследуемой микросферы (например, на микроскопе Leika MZ6 с использованием окулярного микрометра МОВ-1-15х). Далее, верхняя пластина устройства опускается до упора (в качестве упора используется проволока) и измеряется внешний диаметр газового пузырька и радиус мениска (фиг.3) на микроскопе Leika MZ6 с использованием окулярного микрометра МОВ-1-15.
Давление в микросферах (в МПа) определяется по отношению объема газового пузырька к внутреннему объему микросферы
<mrow><msub><mi>P</mi><mi>М</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msubsup><mi>V</mi><mi>П</mi><mi>Г</mi></msubsup></mrow><mrow><mn>9,82</mn><mo>⋅</mo><msubsup><mi>V</mi><mi>М</mi><mi>Г</mi></msubsup></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><msubsup><mi>V</mi><mi>П</mi><mi>Г</mi></msubsup></mrow>
где
- объем газового пузырька;
<mrow><msubsup><mi>V</mi><mi>М</mi><mi>Г</mi></msubsup></mrow>
- объем микросферы.
Внутренний объем микросферы рассчитывается по измерениям диаметра микросферы с учетом толщины стенки. Объем выделившегося газового пузырька рассчитывается с учетом образующегося мениска (фиг.3)
<mrow><msubsup><mi>V</mi><mi>П</mi><mi>Г</mi></msubsup><mo>=</mo><mn>0,524</mn><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>2</mn><mo>⋅</mo><msubsup><mi>D</mi><mrow><mi>п</mi><mi>у</mi><mi>з</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup><mo>+</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>D</mi><mrow><mi>п</mi><mi>у</mi><mi>з</mi></mrow></msub><mo>−</mo><mn>2</mn><mo>⋅</mo><msub><mi>r</mi><mi>м</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mn>2</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mfrac><mi>P</mi><mn>4</mn></mfrac><mo>⋅</mo><msubsup><mi>D</mi><mrow><mi>п</mi><mi>у</mi><mi>з</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>h</mi><mo>−</mo><mn>2</mn><mo>⋅</mo><msub><mi>r</mi><mi>м</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
пуз
где D - диаметр газовой полости;
м
r - радиус мениска;
h - высота зазора между стеклами.
На основании полученных данных по давлению газа в индивидуальных микросферах определено среднее давление и получено распределение давления в микросферах (фиг.4) в процессе их хранения. Давление измерялось сразу после наполнения (выдержка 0) и после выдержки в течение 14, 28, 51, 78, 178 суток (табл.1 и фиг.5). В качестве упора использовалась вольфрамовая проволока диаметром 90 мкм. Объем выборки - 100 микросфер. Результаты измерений приведены в табл.1.
Таблица 1
Давление неона в алюмосиликатных зольных микросферах
Выдержка, сут
Давление в микросферах, МПа
Р<sub>сред</sub>
P<sub>max</sub>
P<sub>min</sub>
0
2,91
7,72
0,12
14
2,88
5,88
0,27
28
2,76
5,28
0,56
51
2,62
6,01
0,08
78
2,51
4,91
0,08
178
2,47
4,68
0,08
Приведенные измерения позволили определить функции распределения давления в партии микросфер через 0, 14 и 28 сут (фиг.4), а также измерить динамику истечения газа в партии микросфер по изменению среднего давления в партии в течение 14, 28, 51, 78, 178 сут (фиг.5).
Пример 2
Определение давления в двух различных партиях алюмосиликатных зольных микросфер, наполненных водородом. Измерение проводилось аналогично примеру 1.
Определены среднее давление и распределение давления в двух партиях микросфер (табл.2, фиг.6) в процессе их хранения. В качестве упора использовалась вольфрамовая проволока диаметром 100 мкм. Результаты измерений приведены в табл.2.
Таблица 2
Давление водорода в алюмосиликатных зольных микросферах
Выдержка, дн
Давление в микросферах, МПа
Объем
Р<sub>сред</sub>
P<sub>max</sub>
P<sub>min</sub>
выборки, шт.
Партия №1
0
4,16
7,14
1,47
50
14
4,15
5,88
2,18
50
24
3,99
5,49
2,69
50
42
4,01
5,23
1,73
50
90
4,11
6,15
2,40
50
128
3,90
5,63
1,92
100
222
3,35
5,58
1,12
100
Партия №2
0
5,16
8,06
2,28
100
22
4,53
7,75
2,05
100
62
4,49
6,63
2,46
100
97
3,93
6,17
0,08
100
Измерение динамики истечения газа в двух различных партиях микросфер по изменению среднего давления в партии (фиг.6) позволило выявить значительную разницу в процессе газовыделения водорода из микросфер.
Пример 3
Определение давления в стеклянных микросферах МС-А9 грА1 ТУ 6-48-108-94 (Новгородского завода стекловолокна) размером 112-125 мкм, наполненных гелием. Измерение проводилось аналогично примеру 1.
Определены среднее давление и распределение давления в микросферах (табл.3, фиг.7) в процессе их хранения. В качестве упора использовалось алюминиевая фольга толщиной 110 мкм. Результаты измерений приведены в табл.3.
Таблица 3
Давление гелия в стеклянных микросферах МС-А9 грА1
Выдержка, сут
Давление в микросферах, МПа
Объем
Р<sub>сред</sub>
P<sub>max</sub>
P<sub>min</sub>
выборки, шт.
2
1,62
4,67
0,24
20
7
1,04
5,02
0,22
50
27
0,31
4,22
0,17
50
Пример 4
Определение давления трех серий алюмосиликатных зольных микросфер, наполненных гелием, проводилось аналогично примеру 1, но разрушение проводилось одновременно нескольких микросфер (от 2 до 5).
Определены среднее давление и распределение давления трех серий микросфер (табл.4, фиг.8) в процессе их хранения. В качестве упора использовалась вольфрамовая проволока диаметром 100 мкм. Результаты измерений приведены в табл.4.
Таблица 4
Давление гелия в алюмосиликатных зольных микросферах
Выдержка, сут
Давление в микросферах, МПа
Объем выборки, шт.
Р<sub>сред</sub>
P<sub>max</sub>
P<sub>min</sub>
Серия №1
0,2
5,62
7,74
1,82
50
1,2
2,82
5,75
0,08
50
18
0,08
2,49
0,01
60
Серия №2
0,2
5,44
7,36
2,29
50
1,2
3,21
7,14
0,22
50
20
0,14
1,59
0,06
100
Серия №3
0,2
5,53
6,85
3,76
50
1,2
3,58
6,85
0,11
50
5
1,59
4,63
0,09
50
6
0,93
5,36
0,07
50
10
0,16
0,50
0,06
100
Простота процедуры измерения газовыделения позволила провести сравнительный анализ газовыделения гелия одновременно трех серий микросфер.
Радиус мениска газового пузырька в масле может быть различным по диаметру пазового пузырька - это может определяться, например, не строго горизонтальным расположением прозрачных пластин. Проведено измерение радиусов мениска при разрушении микросфер, наполненных неоном и гелием (табл.5). Результаты измерений представлены в табл. 5.
Таблица 5
Радиусы мениска пузырьков неона и гелия в масле
Газ
Радиус мениска, мкм
Количество измерений
r<sub>cp</sub>
r<sub>мак</sub>
r<sub>мин</sub>
Неон
31,7
34,1
28,3
25
Гелий
31,4
40,5
26,3
25
На фиг.9 представлен график отношения объема газового пузырька с учетом и без учета мениска в зависимости от его размера. Так как учет объема мениска газового пузырька в масле может составлять значительные величины, при величине зазора между прозрачными пластинами 100 мкм погрешность в определении давления газа может достигать 18% (фиг.9).
Предлагаемое изобретение позволяет определить функции распределения давления в партии микросфер (фиг.4), измерить динамику истечения газа в партии микросфер по изменению среднего давления (фиг.5), а также определить разброс давления газа в партии микросфер (фиг.8). Предлагаемым устройством можно работать с различными типами микросфер, проведены эксперименты с алюмосиликатными зольными микросферами (фиг.4, 5, 8, 9) и стеклянными микросферами МС-А9 грА1 (фиг.7). Простая процедура измерения газовыделения позволяет одновременно проводить сравнительные измерения нескольких серий микросфер, а улавливание выделившегося газа в вязкую жидкость между двух прозрачных пластин и измерение и учет мениска газового пузырька (фиг.9) обеспечивают высокую точность определения давления газа в индивидуальных микросферах.