СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)
METHOD FOR DETERMINING THE SURFACE TENSION (VARIANTS) AND APPARATUS FOR IMPLEMENTATION THEREOF (VARIANTS)

Изобретение относится к способам и устройствам для измерения поверхностного натяжения жидкостей.
Известны способы и устройства для измерения поверхностного натяжения, см., например, пат. № RU 2024842, в котором устройство для измерения поверхностного натяжения содержит рамку с нитью из электропроводной резины. Однако характеристики электропроводной резины нестабильны, а при измерении на электропроводящей жидкости ток утечки через последнюю значительно влияет на точность измерения.
Известно устройство для измерения поверхностного натяжения по патенту на полезную модель №130079, в котором используется емкость с подвижным и неподвижным барьерами и набор вертикальных пластин. Однако устройство сложно, громоздко, вычисления производятся по сложной формуле, что влияет на точность измерений, т.к. чем больше в системе элементов, и чем больше параметров в формуле вычисления, тем больше возможная ошибка вследствие накопления погрешностей.
Известно устройство для измерения поверхностного натяжения по патенту № RU 2022243, в котором измерение поверхностного натяжения лэнгмюровской пленки осуществляется с помощью весов Вильгельми с вертикальной пластиной, для чего используется соленоид, конденсатор и электронная схема (прототип). Однако образование лэнгмюровской пленки капризно, что влияет на точность измерений.
Задача и технический результат изобретения - повышение точности определения поверхностного натяжения и быстроты получения результатов, а также - расширение арсенала технических средств данного назначения.
СПОСОБ 1. В обоих вариантах способа используется отрыв предмета от поверхности исследуемой жидкости.
Способ измерения поверхностного натяжения заключается в том, что предмет с плоской горизонтальной нижней поверхностью (далее «предмет») или расположенная в горизонтальной плоскости рамка приводится с помощью ручного или электрического микролифта (устройство для медленного поднятия и опускания чего-либо) в соприкосновение с жидкостью, а затем производится подъем предмета или рамки до отрыва от жидкости, и при этом замеряется максимальное усилие отрыва.
СПОСОБ 2. Способ измерения поверхностного натяжения заключается в том, что предмет с плоской горизонтальной нижней поверхностью или расположенная в горизонтальной плоскости рамка приводится с помощью ручного или электрического микролифта в соприкосновение с жидкостью, а затем производится подъем предмета или рамки до отрыва от жидкости, и при этом замеряется максимальное расстояние от поверхности жидкости, при котором происходит отрыв.
Осуществление обоих способов будет показано ниже в разделе «устройства для осуществления способа».
В качестве предмета в обоих способах может использоваться любой предмет с ровной плоской нижней поверхностью, но чтобы избежать искажения мениска жидкости на углах, не рекомендуется использовать угловатые тела, например, куб. Лучше использовать круглый цилиндр с плоским нижним торцом. А в качестве рамки можно использовать круглое проволочное кольцо или вертикально висящий отрезок круглой трубы. С целью уменьшения требуемого предела измерений устройства измерения усилия и с целью уменьшения трения в сочленениях предмет или рамка должны быть минимального веса.
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА 1 (ВАРИАНТ 1). Устройство содержит кювету для жидкости, над которой неподвижно закреплен ручной или электрический микролифт, соединенный через динамометр с упомянутым предметом или с рамкой.
Для уменьшения требуемого предела измерения динамометра и для уменьшения трения в сочленениях предмет или рамка могут быть частично уравновешены с помощью одного или двух двуплечих рычагов с противовесами на концах. Для уменьшения трения при повороте двуплечие рычаги могут быть закреплены на призмах с возможностью качания. А для уменьшения трения в шарнирах тяги от двуплечих рычагов следует сделать бесшарнирными, то есть гибкими, например, из кевларовых или других высокомодульных нитей.
ПРИМЕР 1. На фиг. 1 упрощенно показано устройство по способу 1. Оно состоит из кюветы для жидкости 1, над которой жестко закреплен микролифт 2 с ручным приводом, например, винтовой (с мелким шагом резьбы). Через динамометр 3 микролифт соединен с предметом 4, в качестве которого использован круглый цилиндр, который для уменьшения веса выполнен пустотелым.
Динамометр желательно применить с круглой шкалой и подвижным лимбом.
Устройство работоспособно уже в таком виде, но для уменьшения требуемого предела измерений, и, следовательно, для повышения точности измерения малых усилий, устройство может содержать два двуплечих рычага 5, расположенных на призмах 6, имеющих на концах грузы противовесы 7, и соединенных с предметом 4 гибкими нитями (показаны пунктиром).
Работает устройство так: перед началом работ в висящем положении груза 4 на уровне поверхности жидкости на динамометре 3 подвижный лимб устанавливают в положение «ноль». Затем микролифтом 2 предмет 4 опускается до соприкосновения с поверхностью жидкости (для соблюдения постоянства уровня жидкости в кювете желательно иметь переливной патрубок). А после предмет 4 медленно поднимается микролифтом 2 до отрыва предмета от поверхности жидкости. Все это время ведется непрерывное считывание показаний с динамометра 3, и запоминается максимальное усилие.
Для первого из партии серийных устройств производится несколько (чем больше, тем выше будет точность устройства) измерений с разными жидкостями, поверхностное натяжение которых априори известно. После чего следует экстраполировать полученную корреляцию «усилие на динамометре / коэффициент поверхностного натяжения», и проградуировать лимб в единицах поверхностного натяжения. Тогда в момент отрыва предмета от жидкости по лимбу сразу можно считать коэффициент поверхностного натяжения исследуемой жидкости.
Данный вариант устройства не нуждается в электропитании и может быть применен непосредственно в пожаро-взрывоопасных помещениях.
Следует отметить, что станина устройства должна быть достаточно массивной и жесткой, и она должна надежно крепиться к полу или к стене. Это необходимо для того, чтобы случайные усилия, например, от вращения рукой микролифта, не вносили колебаний в равновесие жидкости и предмета. Из сказанного следует, что для удобства измерений желательно применить реверсивный электрический микролифт.
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА 1 (ВАРИАНТ 2). Устройство содержит кювету для жидкости, над которой неподвижно закреплен соленоид, подвижный сердечник которого соединен с упомянутым предметом или с рамкой.
Для уменьшения требуемого предела измерения динамометра и для уменьшения трения в сочленениях предмет или рамка могут быть частично уравновешены с помощью одного или двух двуплечих рычагов с противовесами на концах.
ПРИМЕР 2. На фиг. 2 показан второй вариант устройства для осуществления способа 1. Устройство состоит из кюветы для жидкости 1, над которой неподвижно закреплен соленоид из обмотки 8 и подвижного сердечника 9. Сердечник 9 соединен с рамкой 10, в качестве которой использован отрезок круглой трубы.
Устройство работоспособно уже в таком виде, но для уменьшения требуемого предела измерений, и, следовательно, для повышения точности измерения малых усилий, устройство может содержать два двуплечих рычага 5, расположенных на призмах 6, имеющих на концах грузы противовесы 7, и соединенных с сердечником 9 гибкими нитями (показаны пунктиром).
Устройство без противовесов работает так: жидкость всегда наливается точно до одного и того же уровня (с помощью переливного патрубка), и заранее в положении рамки, соответствующему касанию поверхности жидкости, проводится измерение тока удержания соленоида. Это значение тока принимается как «нулевое», и в дальнейшем корреляция поверхностного натяжения и тока определяется по разнице фактического тока отрыва и «нулевого» тока. Положение сердечника соленоида в «нулевом» положении желательно выбирать промежуточным между полным выходом его из обмотки вниз, и полным вхождением его в середину обмотки. Рекомендуемое значение - вхождение сердечника на 35-50% его длины. В этом положении увеличение тока будет сопровождаться примерно пропорциональным увеличением высоты поднятия сердечника.
Устройство с противовесами предварительно следует привести в положение безразличного равновесия, для чего следует изменять вес противовесов. Устройство с противовесами работает по двум подвариантам в зависимости от тока электропитания.
При питании постоянным током его постепенно увеличивают вплоть до отрыва рамки 10. В этот момент ток кратковременно уменьшается и затем снова принимает последнее значение. По значению тока в момент отрыва определяют корреляцию его с коэффициентом поверхностного натяжения.
Как и в примере 1, для первого из партии серийных устройств производится несколько измерений с разными жидкостями, поверхностное натяжение которых априори известно. После чего следует экстраполировать полученную корреляцию «ток / коэффициент поверхностного натяжения», и проградуировать амперметр в единицах поверхностного натяжения. Или же, если амперметр цифровой, составить график или таблицу, по которой в зависимости от тока определяют коэффициент поверхностного натяжения. Возможна компьютерная обработка значений тока с выдачей коэффициента поверхностного натяжения в цифровом виде.
При питании переменным током его постепенно увеличивают вплоть до отрыва рамки 10. В этот момент ток резко уменьшается вследствие движения сердечника и вследствие увеличения индуктивности соленоида. По значению тока в момент отрыва определяют корреляцию его с коэффициентом поверхностного натяжения.
Этот подвариант наиболее пригоден для автоматического измерения коэффициента поверхностного натяжения, т.к. позволяет обойтись без участия человека, но при этом необходим процессор, который по скачкообразному уменьшению тока определял бы момент отрыва рамки.
В автоматическом подварианте необходимо дополнительное приспособление для вывода подвижной системы из положения безразличного равновесия. Таким приспособлением может быть плоская пружина 11, упирающаяся в рамку при выходе ее вверх за возможные пределы измерения. Работает она так: перед измерением процессор подает кратковременный небольшой импульс тока на обмотку соленоида, от этого сердечник и вся подвижная система дергается вверх, рамка упирается в пружину 11 и движется в обратном направлении - вниз до соприкосновения с поверхностью жидкости. Далее производится измерение.
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА 2. Устройство содержит кювету для жидкости, над которой неподвижно закреплен ручной или электрический микролифт, соединенный с упомянутым предметом или с рамкой, причем микролифт имеет шкалу для измерения расстояния от поверхности жидкости или имеется соединенное с предметом или с рамкой устройство измерения расстояния от поверхности жидкости, например, линейка с нониусом, или датчик для дистанционного измерения этого расстояния, например, переменный резистор, соленоид с подвижным сердечником, конденсатор переменной емкости (как в аналоге пат. №2022243).
ПРИМЕР 3. На фиг. 3 упрощенно показано устройство для осуществления способа 2. Оно состоит из кюветы для жидкости 1, над которой неподвижно закреплено устройство для измерения высоты над уровнем жидкости в виде стандартного микрометра 12, винт которого приводится в движение реверсивным электрическим микролифтом 13. На подвижной части микрометра закреплен предмет 4.
Работает устройство так: микролифтом 13 предмет 4 опускается до соприкосновения с жидкостью. Замеряется значение на микрометре, которое считается «нулевым». Затем предмет поднимается до отрыва от жидкости, и замеряется показание микрометра. Разность показаний микрометра в определенной качественной пропорции будет коррелировать с коэффициентом поверхностного натяжения. Затем, как и в примерах 1, 2, методом интерполяции по значениям априори известных коэффициентов поверхностного натяжения производится тарирование шкалы микрометра. Или, что проще, составляется график или таблица «расстояние отрыва/коэффициент поверхностного натяжения».