СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЖИДКОСТИ
METHOD OF DETERMINING LIQUID PHYSICAL PROPERTIES

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к пневматическим способам контроля поверхностного натяжения и плотности жидкости, и может найти применение в различных отраслях промышленности, таких как нефтяная, химическая, микробиологическая, пищевая и др.
Известен способ определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости по методу "лежачей" капли (А.Д.Зимон. Адгезия жидкостей и смачивание. М., Химия, 1974, с.52-55), заключающийся в определении формы и размеров капли, лежащей на пластине, с помощью оптических систем, например микроскопа.
Недостатками способа являются сложность определения характеристических размеров капли и зависимость результата измерения от плотности.
Известно определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости способом отрыва кольца, серьги или пластинки от исследуемой жидкости (метод Дю-Нуи) (Поверхностные явления и поверхностно-активные вещества. Справочник под ред. А.А.Абрамова. Л., Химия, 1984, с.167-168), заключающимся в измерении силы, необходимой для отрыва кольца от поверхности жидкости. Недостатками способа являются невысокая точность измерения, обусловленная загрязнением поверхности кольца, и невозможность обеспечения непрерывности измерения.
Наиболее близким к предложенному по технической сущности является способ определения поверхностного натяжения жидкостей методом максимального давления в пузырьке (Методы испытаний водных растворов поверхностно-активных веществ. Обзор. Часть 1. Составители: И.К.Гетманский и Л.И.Бавик. М., НИИТЭИ, 1965, стр.39-50), заключающийся в определении наибольшего давления в пузырьке воздуха, выдуваемого из капилляра, погруженного в исследуемую жидкость на заданную глубину.
Недостатком способа, принятого за прототип, является зависимость результата измерения от глубины погружения капилляра и вязкости жидкости.
Техническая задача состоит в повышении точности определения поверхностного натяжения вязких жидкостей, а также расширении функциональных возможностей способа путем обеспечения возможности определения плотности и вязкости жидкости.
Поставленная техническая задача решается тем, что для определения плотности, поверхностного натяжения и вязкости в контролируемую жидкость погружают на заданную глубину газоподводящую трубку известного диаметра, подают газ с заданным расходом на вход газоподводящей трубки, измеряют величину максимального давления в трубке и дополнительно измеряют период следования пузырьков газа, затем изменяют величину расхода газа на заданное значение и снова измеряют период следования пузырьков, в результате по величинам максимального давления в трубке и периодам следования пузырьков, соответствующим различным значениям расхода газа, судят о плотности, поверхностном натяжении и вязкости контролируемой жидкости.
На фиг.1 представлена структурная схема устройства для реализации предложенного способа определения физических свойств жидкости.
На вход газоподводящей трубки 1, погруженной в контролируемую жидкость 2 на глубину Н, через пневматическое сопротивление 3 подается газ с заданным расходом от источника 4. К входу газоподводящей трубки 1 подключен преобразователь давления 5. Выход преобразователя 5 соединен с входом частотомера 6, измеряющим период колебаний давления в газоподводящей трубке, т.е. период следования пузырьков. Выходы преобразователя 5 и счетчика 6 подключены к входам вычислительного блока 7, выход которого соединен с входом вторичного прибора 9.
a
n
ж
г
n
ж
г
η
ж
1
n
σ
ж
0
ж
1
1
n
ж
0
При подаче газа в газоподводящую трубку 1 на ее выходе образуется пузырек газа, диаметр которого растет до тех пор, пока подъемная сила F=Vg(ρ-ρ), где V - объем пузырька в момент отрыва, g - ускорение свободного падения, ρ - плотность жидкости, ρ - плотность газа, не станет равной сумме сил вязкого трения F=6ηπνr и силы, возникающей вследствие адгезии пузырька F=πσdsinθ, где η - динамическая вязкость жидкости, ν - скорость перемещения центра пузырька при подаче газа в трубку с постоянным расходом Q, r- объем пузырька в момент отрыва, σ - поверхностное натяжение жидкости, d - диаметр трубки, θ - краевой угол смачивания.
n
1
Принимая, что центр пузырька движется равномерно и его отрыв происходит, когда расстояние между центром пузырька и концом трубки становится равным 2r, скорость перемещения ν можно найти по формуле
1
1
где Т - период следования пузырьков при подаче газа в трубку с расходом Q.
1
n
При постоянстве расхода Q отрывной объем пузырька V определяется выражением
С учетом (1) и (2) и при условии sinθ=1 баланс сил, действующих на пузырек в момент его отрыва, запишется в виде:
1
2
При изменении расхода газа в газоподводящую трубку от значения Q до Q уравнение (3) примет вид
2
2
где T - период следования пузырьков при подаче газа в трубку с расходом Q.
и
В то же время для вязких жидкостей максимальное избыточное давление P в пузырьке определяется выражением
a
где H - глубина погружения трубки в жидкость, P - избыточное давление над поверхностью жидкости.
1
С учетом (1) выражение (5) при Q=const примет вид
ж
ж
ж
ж
ж
ж
и
1
2
1
2
0
Уравнения (3), (4) и (6) составляют систему, решая которую относительно σ, ρ и η, получим выражения для определения σ, ρ и η по измеренным значениям P, T и T при Q, Q, g, d, H=const.
где
- коэффициенты пропорциональности.
и
1
2
ж
ж
ж
Таким образом, измерение P, T и Т позволяет определить по уравнениям (7), (8) и (9) поверхностное натяжение σ, плотность ρ и вязкость жидкости η.
1
и
1
1
2
2
2
и
1
2
ж
ж
ж
В процессе измерения при Q=const давление в газоподводящей трубке 1, увеличивающееся с ростом пузырька газа, поступает на вход преобразователя давления 5, измеряющего давление P в трубке в момент отрыва пузырька. Одновременно импульсный выходной сигнал с преобразователя 5 поступает на вход частотомера 6, измеряющего период следования пузырьков T, сигнал которого вместе с сигналом от преобразователя давления 5 поступает в вычислительный блок 8. Затем изменяется расход газа с Q до Q и на вход вычислительного блока 7 с частотомера 6 поступает новое значение периода следования пузырьков Т, соответствующее расходу Q. На последнем этапе вычислительный блок 7 на основании измеренных P, T и Т по формулам (7), (8) и (9) определяет значения поверхностного натяжения σ, плотности ρ и вязкости жидкости η и формирует сигналы, поступающие на вход вторичного прибора 8.
В предложенном способе производят измерения максимального давления в пузырьке и периодов следования пузырьков газа при двух различных значениях расхода, что позволяет определить вязкость и плотность жидкости, а также повысить точность определения поверхностного натяжения благодаря учету влияния вязкости и плотности на результат измерения.