СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ЖИДКОСТЕЙ
PROCEDURE AND DEVICE FOR MEASURING SURFACE TENSION OF LIQUIDS

Изобретение относится к области определения физических характеристик жидкостей, более конкретно - к способу и устройству для определения поверхностного натяжения жидкостей.
Поверхностное натяжение о указывает на то, какая работа должна быть совершена, чтобы увеличить поверхностный слой на поверхности раздела фаз жидкая - газообразная на определенное значение. Таким образом, оно дает, например, сведения о концентрации и эффективности/активности поверхностно-активного вещества в жидкости, например для контроля качества чернил или водного орошения в процессах промывания или очистки.
Методом максимального давления пузырька газ или смесь газов, обычно воздух, нагнетается посредством соединенного с пневматической системой капилляра в анализируемую жидкость и измеряется внутреннее давление ρ образовавшегося на капилляре пузырька.
max
h
E
Kap
Способом максимального давления пузырька измеряется давление пузырька p. Действующее на пузырек гидростатическое давление p вычисляется из глубины погружения капилляра h, который должен быть очень точно установлен или отрегулирован, и плотности жидкости. Поверхностное натяжение σ тогда в первом приближении при радиусе капилляра r может быть вычислено из:
mах
min
При этом, прежде выведенном методе разности давлений в капилляре (DE 19755291 С1, DE 20318463 U1), вычисляется динамическое поверхностное натяжение σ с использованием корреляции К между поверхностным натяжением σ и разностью давлений Δр между максимальным внутренним давлением р и минимальным внутренним давлением p пузырька:
где
макс
мин
При этом К=σ/(р-p).
max
min
На основании одинакового действия гидростатического давления на p и p измерение в противоположность методу максимального давления пузырька остается независимым от глубины погружения капилляра.
life
В жидкостях, содержащих поверхностно-активные вещества, результат измерения поверхностного натяжения σ зависит от возраста расширяющейся поверхности, т.к. с все растущим временем формирования пузырька поверхностно-активные вещества могут покрывать вновь образованную поверхность пузырька. Таким образом, метод максимального давления пузырька учитывает динамическое поверхностное натяжение, от чего результат измерений всегда должен указываться во взаимосвязи с соответствующим временем формирования или временем существования пузырька t, под которым в дальнейшем должно пониматься время между минимальным и максимальным давлением пузырька.
Известные методы определения давления пузырьков измеряют, при определенной частоте или времени существования пузырька выходящих газовых пузырьков, которые в соответствии с динамично изменяющимся поверхностным натяжением должны постоянно подстраиваться (DE 19755291 С1), максимальное давление или перепад давления в капилляре. Для этого необходима регулируемая воздушная помпа или вентиль с регулируемым воздушным потоком
Для того чтобы можно было измерить поверхностное натяжение достаточно точно, применяемый датчик давления должен иметь в сравнении с другими вариантами использования высокую точность измерения.
Датчики давления, удовлетворяющие этим требованиям, должны быть, например, термокомпенсирующими и откалиброванными и поэтому являются самым дорогостоящим элементом измерительной системы.
Альтернативой для преобразования давления пузырька в электрический сигнал являются: преобразователи звукового давления, такие как конденсаторный, электродинамический, пьезоэлектрический и угольный микрофоны, а также пьезоэлектрическая мембрана (ЕР 0760472 B1, DE 19636644 C1). Согласно ЕР 0760472 В1 при помощи наименее затратного преобразователя звукового давления измеряется первая производная сигнала давления по времени и посредством последующего интегрирования давления пузырька вычисляется поверхностное натяжение. Расхождения в измерениях, возникающие из-за влияния температуры окружающей среды, влажности воздуха, зависимости микрофона от частоты в процессе передачи, а также отклонения в процессе измерения, являются неизбежными. Преобразователь звукового давления без дополнительных мер не удовлетворяет требованиям точности в измерении давления.
Из DE 4303133 А1 известно, что при достаточно постоянных потоках воздуха измеренная частота появления пузырьков, образовавшихся в капилляре, коррелирует с поверхностным натяжением. С уменьшающимся поверхностным напряжением увеличивается частота пузырьков. Обратная величина частоте появления пузырьков - время периода пузырьков, задается из времени формирования пузырьков и так называемого периода простоя пузырьков (DE 20318463 U1). Период простоя пузырьков характеризует время между максимальным давлением, после наступления которого пузырек лопается и надувается, и отрывом пузырька. Уже незначительные движения в жидкости или механические вибрации вызывают случайный отрыв пузырька и порождают вследствие этого в процессе измерения поверхностного натяжения из-за частоты появления пузырьков расхождения в измерениях. Получающаяся точность, например, для получения концентрации моющего вещества в области очистки текстильных изделий недостаточна.
До настоящего времени в области мытья текстиля и посуды, особенно в домашнем хозяйстве, неизвестно рентабельное и пользующееся спросом решение, при котором достаточно точно может быть измерено поверхностное натяжение для расчета концентрации моющего и промывочного средства и основанной на этом автоматической дозировки этих средств.
Задачей данного изобретения является создание, исходя из зависимости времени формирования пузырька от поверхностного натяжения при определенном потоке газовых масс или объемном потоке, способа и устройства для измерения динамического поверхностного натяжения жидкости, которые предполагают при сравнительно низких затратах для разных областей использования достаточно точные результаты измерений.
Согласно изобретению задача решается посредством признаков, указанных в п.1 и п.11 формулы изобретения. Предпочтительные усовершенствования вносят, кроме того, зависимые пункты формулы.
life
Указанный в изобретении способ основывается на зависимости времени формирования пузырька t от поверхностного натяжения σ при введенном в объем системы потоке газовых масс или объемном потоке.
При формировании пузырька на кончике капилляра разность между максимальным и минимальным давлением пузырька коррелирует с поверхностным натяжением σ. Определенный поток газовых масс или объемный поток, предпочтительно поток воздушных/атмосферных масс или объем воздуха, направляется внутрь пневматической системы и там протекает независимо от поверхностного натяжения σ в одинаковый промежуток времени всегда одинаковый поток газовых масс или объемный поток. При этом время формирования пузырька зависит также от поверхностного натяжения σ, потому что при малом поверхностном натяжении σ в пузырьке присутствует низкое давление и до достижения максимального давления внутри системы должно поступать меньше газа. Поэтому момент достижения максимального давления при маленьком поверхностном натяжении наступает быстрее, чем при большом. Новый метод, названный методом времени существования пузырька, позволяет измерять при определенном потоке газовых масс или объемном потоке время формирования пузырька в жидкости и вычисляет за счет этого поверхностное натяжение жидкости.
Требования к точности в преобразователе сигнала давления в сигнал по напряжению ниже, чем в известном способе измерения разности давлений, так как важно лишь достаточно точно установить момент минимума давления, как и момент следующего за ним максимума давления пузырька из сигнала давления. Преобразователь сигнала давления в сигнал по напряжению не должен быть ни термокомпенсирован, ни откалиброван относительно амплитуды или смещения сигнала.
Установка датчиков давления предпочтительна в смысле простоты и дешевизны преобразователя звукового давления, например пьезоэлектрической мембраны. При прямом пьезоэлектрическом эффекте, являющемся следствием механической деформации, вызванной изменениями давления, происходит смещение центров тяжести зарядов атомов друг относительно друга. Внутри кристалла возникает электрическая поляризация р, и снаружи поверхностные заряды доступны для измерения. Поскольку между величиной механической напряженности пьезокристалла и количеством поверхностного заряда существует пропорциональная зависимость, становится возможным обнаружение момента максимума и минимума давления посредством электрических сигналов. Простые пьезоэлектрические акустические преобразователи производятся в большом количестве для инверсионной вставки в пьезозуммерах и исключительно недороги.
Изобретение более детально истолковывается при помощи примеров его осуществления. На приложенных чертежах показано:
Фиг.1 представляет образование пузырьков, а также ход кривой внутреннего давления пузырька в соответствии с методом максимального давления пузырька,
Фиг.2 - пневматическая система для интерпретации физических основ изобретения,
Фиг.3 - сигнал давления пузырька для различных поверхностных натяжений при постоянном потоке воздушной массы,
Фиг.4 - результаты измерений различных жидкостей,
Фиг.5 - схематически представленный пьезоэлектрический преобразователь акустического давления,
Фиг.6 - функциональное устройство для измерения поверхностного натяжения в стиральной машине.
Фиг.7 - схематический разрез компактного датчика поверхностного натяжения, работающего согласно способу, описанному в изобретении.
B
kap
min.
Как схематично показано на фигуре 1, по методу максимального давления пузырька для измерения поверхностного натяжения воздух или другой пригодный газ, или смесь газов нагнетается через капилляр 1 в анализируемую жидкость. Наиболее детально представленный на фигуре 5 преобразователь давление-сигнал определяет внутреннее давление p пузырька 2, образовавшегося на кончике капилляра 1. Как видно из фигуры 1а, новый пузырек имеет большой радиус r>>r и присоединенная к капилляру 1, наиболее детально представленная на фигуре 2 пневматическая система находится под низким давлением p
B
max
life
max
B
Kap
max
tot
B
За счет нагнетаемого воздуха возрастает давление p в пузырьке 2. Пузырек 2 на кончике капилляра изгибается в виде купола, радиус пузырька r уменьшается. Когда пузырек 2 достигает своего минимального радиуса, который приблизительно равняется радиусу капилляра, давление внутри достигает своего максимума p (фигура 1b). Время от начала формирования пузырька 2 до достижения максимального давления обозначает длительность существования поверхности или время формирования пузырька t. После превышения максимального давления p пузырек 2 отрывается: r>r и давление p внутри пузырька 2 путем объемного расширения быстро падает. В соответствии с этим поток воздуха медленно наполняет пузырек 2, пока он не соскользнет вверх и не оторвется от капилляра 1. Промежуток времени от достижения максимального давления p до отрыва пузырька 2 обозначается как время простоя t. Далее процесс повторяется с формированием следующего пузырька. Количество сформированных пузырьков в единицу времени именуется частотой образования пузырьков f.
life
tot
Время формирования пузырька t уменьшается сильнее по сравнению с временем простоя t при снижающемся натяжением поверхности σ, когда поток газовых масс или объемный поток направляется внутрь пневматической системы. Посредством времени формирования пузырька изменения поверхностного натяжения могут быть лучше раскрыты, чем посредством времени простоя. Уже малейшее течение в измеряемой жидкости, такое как механическая вибрация, влияет на отрыв пузырька случайным образом, а также на время простоя пузырька и, как следствие, также и на частоту образования пузырьков. Очевидно, что частота образования пузырьков не пригодна для определения поверхностного натяжения.
life
Согласно предлагаемому изобретению измеряется абсолютное время формирования пузырька t, а именно таким образом, который позволяет при использовании крайне дешевых датчиков достичь достаточно точных результатов.
s
B
1
min
h
Основные черты способа пояснены при помощи фигур 2 и 3. Прежде всего, на фигуре 2 показана пневматическая система для способа максимального давления пузырька с объемом системы V, включая объем капилляра 1, давление пузырька p, объем пузырька V и поток воздушных масс . Для последующего расчета предполагается наличие постоянного потока воздушных масс  и постоянной температуры воздуха T, а также принимается идеальный газ в качестве воздушного потока и минимальное давление p - равным гидростатическому давлению p.
Отправной точкой анализа пневматической системы является уравнение состояния идеального газа:
life
h
max
G
s
s
B
В объем системы 3 поступает постоянный поток воздушной массы . В течение периода времени t повышается с p до p=f(σ). Полный объем V увеличивается с V до V+V.
life
Поступившая в течение периода времени t воздушная масса вычисляется следующим образом:
Исходя из произведенных наблюдений уравнение (3), для момента максимального давления, может быть записано следующим образом:
0
m вычисляется из уравнения(3):
Подставляя уравнение (7) в уравнение (6) получаем:
life
После переноса t получается:
При гидростатическом давлении:
и максимального давления в зависимости от поверхностного натяжения (первое приближение):
как и объеме пузырька при максимальном давлении:
получается в итоге при подстановке в уравнение (9):
После перестановки уравнения (13) получается:
life
На основании последнего уравнения (14) становится понятным, что время формирования пузырька t при постоянном потоке воздушных масс линейно зависит от поверхностного натяжения σ жидкости:
life
min
max1
max2
max
min
life
2
max2
life2
1
life1
На фигуре 3 изображена характеристика изменения давления пузырька при различных значениях поверхностного натяжения, причем время формирования пузырька t не является постоянным, как обычно, а посредством постоянного втекающего воздушного потока обеспечивается повышение давления в пузырьке с минимального давления p до максимального давления p или p; dp/dt=const. Согласно изобретению измеряется не разница давлений Δp=p-p в пузырьке, а время формирования пузырька t. Как показано на фигуре 3, внутреннее давление пузырька 5b в жидкости с маленькой величиной поверхностного натяжения σ достигает максимума p при коротком времени формирования пузырька t по сравнению с внутренним давлением пузырька 5а в жидкости с высокой величиной поверхностного натяжения σ, которое достигает максимума только при длительном времени формирования пузырька t.
На фигуре 4 показана диаграмма измерений сигнала давления пузырька в жидкости при различных значения поверхностного натяжения и постоянном потоке воздушной массы. Все сигналы давления пузырька имеют одинаковую крутизну до максимального, зависящего от поверхностного натяжения, давления пузырька. Минимум давления пузырька находится ниже минимального значения поверхностного натяжения потому, что после отрыва пузырька уже присутствует начальное распределение поверхности с поверхностно-активными веществами и таким образом при минимуме давления присутствует самое маленькое поверхностное натяжение.
Решение проблемы поверхностного натяжения путем измерения времени формирования пузырька зависит от эталонного времени формирования пузырька, которое зависит, к примеру, от потока воздушной массы в воде. При определенном для воды эталонном времени формирования пузырька в 300 мс (см. фигуру 4) чувствительность составляет уже 3,9 мс на 1 мН/м. Калибровка датчиков поверхностного натяжения может производиться, например, в воде с известной температурой и, как следствие, с известным поверхностным натяжением, в которой измеряется время формирования пузырька и устанавливается как эталонное время формирования пузырька. При такой процедуре можно отказаться от регулировки потока газовых масс или объемного потока.
life
min
max
life
Фигура 5 отображает применение пьезоэлектрического преобразователя, работающего в качестве преобразователя звукового давления в предлагаемом способе. В объеме системы 3 на подходящем месте подключен пьезоэлектрический преобразователь 4, который состоит из двух металлических контактных поверхностей 6 с соединительными проводами, между которыми приклеен так называемый пьезокристалл 7. Пьезоэлектрический преобразователь 4 формирует смещение заряда на контактных поверхностях 6 при изменении давления в объеме системы 3. Временное изменение давления или производная давления пузырька по времени dp/dt пропорциональна замеренному наружному потоку. Посредством интегрирования измеренного потока при помощи блока обработки данных может быть сформирован сигнал по напряжению u(t), который пропорционален сигналу давления. Так, согласно изобретению, интересен лишь промежуток времени t между минимальным p и максимальным p давлением, а не сама величина максимального давления или максимальной разницы давлений, значительно сокращается стоимость схемы обработки. Время t обнаруживается при помощи недорогого микроконтроллера.
Фигура 6 показывает структуру функционирования для применения в стиральной машине при использовании предлагаемого способа.
В жидкостной части 8 стиральной машины в байпасе к емкости 9 для раствора моющего средства размещен измерительный сосуд 10, к которому от насоса 11 поступает раствор моющего средства и там перемешивается. Так как жидкость очень сильно зависит от температуры, термодатчик 12 измеряет температуру раствора моющего средства θ.
Пневмосистема 13 состоит из капилляра 1, объема системы 3, пьезоэлектрического преобразователя 4 и из источника постоянного потока воздуха, включающего мембранный насос 14, дроссель 15 и буферный объем 16.
В примере мембранный насос 14, например мембранный насос с электрическим или пьезоэлектрическим приводом, через буферный объем 16 посредством дросселя 15 подает воздух в пневматическую систему, к которой с одной стороны подключен пьезоэлектрический преобразователь 4, а с другой стороны - капилляр 1. Дроссель 15 служит для установки рабочей точки воздушного насоса 14 и предотвращает возможное большое сопротивление обратного действия давления пузырька на эту рабочую точку. Другая возможность - подключение ресивера давления газа. Капилляр погружается своим кончиком в измерительный сосуд 10.
Подробно не представленный электронный блок 17 обработки данных обрабатывает принятый от преобразователя 4 сигнал u(t), как и сигнал от температурного датчика, и управляет процессом определения. Он имеет интерфейс для управления стиральной машиной.
life
1
life
Устройство для определения поверхностного натяжения калибруется в воде с известной температурой и при этом известным поверхностным натяжением (σ), в котором, как уже было описано, измерено время формирования пузырька (t) и из него измеряется поток газовой массы или газовый объемный поток (m). Процесс измерения или калиброкви начинается с включением мембранного насоса 14, причем через определенное время, в течение которого в буферном объеме 16 создается достаточно постоянное давление, фиксируется время формирования пузырька (t). При применении предлагаемого устройства в стиральной машине оно калибруется к моменту подачи воды, причем в процессе измерения или калибровки барабан стиральной машины остановлен.
На фигуре 7 показан схематичный разрез компактного устройства для определения поверхностного натяжения, который работает по описанному выше способу. В это устройство включены: мембранный насос, буферный объем, дроссель, объем системы, пьезоэлектрический преобразователь и капилляр. Данное устройство состоит из основной части 18, в которой размещены: место 19 для присоединения капилляра 1, как и объем системы 3, дроссель 15, буферный объем 16, насосный объем 20 и клапан с вставками для заслонок клапанов 21.
Объем системы 3 закрыт пьезоэлектрическим преобразователем 4, который более детально описан в связи с фигурой 5. Буферный объем 16 загерметизирован крышкой 22. Дополнительный пьезоэлектрический преобразователь 23, состоящий из двух металлических контактных поверхностей 6 с соединительными проводами, между которыми приклеен так называемый пьезокристалл 7, закрывает насосный объем 20 и образует мембранный привод насоса 14.
Сконструированное таким образом устройство может быть произведено особенно экономичным методом экструзии расплавленного пластика под давлением.