DE1115961B - Registriereinrichtung fuer Oberflaechenspannungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Gerät zum Registrieren von Oberflächenspannungen, Adhäsionskräften od. dgl. von Flüssigkeiten als Funktion des zeitlichen Verlaufes. Diese Größen werden im folgenden allgemein als Oberflächenspannung bezeichnet.

Messungen der Oberflächenspannung wurden bisher nach manuellen und diskontinuierlichen Methoden durchgeführt. Bei einer besonders verbreiteten Methode wird ein Gerät verwendet mit einem Schwenkarm, der fest an dem Rahmen eines Milliampermeters befestigt ist. Am Ende des Schwenkarmes ist ein Platinblättchen aufgehängt, welches mit der Flüssigkeitsoberfläche, deren Oberflächenspannung man messen will, in Berührung gebracht wird. Der anfangs im Gleichgewicht befindliche Schwenkhebel ist nach dem teilweisen Eintauchen des Blättchens in die Flüssigkeit auf Grund der Wirkung der Oberflächenspannung einem Drehmoment ausgesetzt, das dieser Spannung proportional ist. Um dieses Drehmoment und also auch die Oberflächenspannung der untersuchten Flüssigkeit zu messen, schickt man durch den Rahmen des Milliampermeters einen Strom, der von Hand aus derart eingestellt wird, daß das Gleichgewicht wiederhergestellt ist. Man schafft auf diese Weise ein gegenwirkendes Drehmoment von gleicher Größe wie das erste, und die Stärke des Stromes durch die Drehspule ergibt den Wert für die dem Strom proportionale Oberflächenspannung.

Ein solches Meßverfahren und das Gerät zur Ausführung des Verfahrens leisten nicht zu unterschätzende Dienste und ergeben große experimentelle Möglichkeiten. Es besteht jedoch Bedarf an einem Gerät, das die Messung und Aufzeichnung von Veränderungen der Oberflächenspannung als Funktion der Zeit ermöglicht. Die Messung einer kontinuierlichen Kurve, die den Wert der Oberflächenspannung einer Flüssigkeit als Funktion von der Zeit ohne Betätigung von Hand angibt, ist in der Tat ein großer Vorteil, etwa auf gewissen Gebieten wissenschaftlicher Forschung, z. B. wenn man die augenblicklichen oder sich anhäufenden Wirkungen verschiedener äußerer Einflüsse auf die Oberflächenspannung untersuchen will.

Die Erfindung eines selbsttätig arbeitenden Spannungsregistriergerätes ermöglicht die Messung und kontinuierliche Aufzeichnung von Oberflächenspannungen, ohne daß eine Bedienung von Hand erforderlich ist, abgesehen von dem Einstellen und Einschalten des Gerätes.

Das Oberflächenspannungs-Registriergerät nach der Erfindung ist gekennzeichnet durch ein vertikal angeordnetes ebenes Blättchen, das an einem Ende Registriereinrichtung
für Oberflächenspannungen

Anmelder:
Commissariat ä l'Energie Atomique, Paris

Vertreter: Dipl.-Ing. R. Beetz, Patentanwalt,
München 22, Steinsdorfstr. 10

Beanspruchte Priorität:
Frankreich vom 16. April 1959 (Nr. PV 792 215)

Michel Briere, Cite de Gif-sur-Yvette, Seine-et-Oise, und Alexandre Fritsch, Paris (Frankreich),

sind als Erfinder genannt worden

eines Schwenkhebels aufgehängt ist, der fest mit einer Drehspule und mit einem Auslenkungsmesser verbunden ist. Dieser ist an einen Verstärker (eventuell mit nachfolgendem Gleichrichter) angeschlossen, wobei der Verstärkerausgang mit der Drehspule und mit dem Registriergerät verbunden ist.

Bei dieser Anordnung wird durch jede, von einer Änderung des Wertes der Oberflächenspannung herrührende Lageveränderung des Blättchens in bezug auf die untersuchte Flüssigkeit an den Klemmen des Auslenkungsmessers eine Spannung hervorgerufen, die dieser Änderung proportional ist. Diese Spannung wird verstärkt und in dem Fall, wo der Auslenkungsmesser Wechselstrom abgibt, gleichgerichtet.

Die Gleichspannung oder gleichgerichtete Spannung wird an die Drehspule geführt und bringt den Schwenkhebel wieder in seine Gleichgewichtsstellung zurück. Diese Spannung oder ein Bruchteil davon wird gleichzeitig auf das Registriergerät gegeben, dessen Anzeigewerte in jedem Augenblick proportional zu der gemessenen Oberflächenspannung sind.

Bei einem ersten Ausführungsbeispiel wird ein

elektromagnetischer Auslenkungsmesser verwendet.

Dieser umfaßt zwei Spulen, die gegenphasig geschaltet sind und sich in einem Wechselmagnetfeld entsprechend den Bewegungen des Schwenkarmes bewegen. Jede Auslenkung der Spulen in bezug auf eine Gleichgewichtsstellung ruft eine Wechselspannung an den

109 710/260

Klemmen hervor, die für kleine Auslenkungswinkel der Änderung der Oberflächenspannung proportional ist.

Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel ist ein fotoelektrischer Auslenkungsmesser vorgesehen. Hierbei ist eine Differential-Fotozelle in den Strahlengang eines optischen Systems gebracht. Eine an dem Schwenkarm befestigte Blende ermöglicht die teilweise Beleuchtung jedes Zellenelementes. Die Zelle ist in einen Wechsel- oder Gleichstromspeisekreis eingeschaltet. Der Aufbau und die Einstellung sind so getroffen, daß im Gleichgewichtszustand keine Spannung an den Ausgangsklemmen des Kreises entsteht. Jede Abweichung von der Gleichgewichtslage ruft eine Verschiebung der Blende hervor und also einen unterschiedlichen Lichtfluß auf beide Zellenelemente. Dadurch wird an den Ausgangsklemmen eine Spannung hervorgerufen, die der Änderung der Oberflächenspannung der untersuchten Flüssigkeit proportional ist.

Weitere Eigenschaften und Vorteile der Anordnung gemäß der Erfindung sind aus der Beispielsbeschreibung und den schematischen Zeichnungen ersichtlich.

Fig. 1 ist ein Funktionsschaltbild des selbsttätigen Spannungsregistriergerätes;

Fig. 2 zeigt einen Schwenkarm des Gerätes, der mit einem elektromagnetischen Auslenkungsmesser versehen ist;

Fig. 3 zeigt das Schaltschema der beiden Spulen des Auslenkungsmessers;

Fig. 4 ist eine Teilansicht des elektromagnetischen Auslenkungsmessers in Richtung des Pfeiles F von Fig. 2;

Fig. 5 ist eine Darstellung eines fotoelektrischen Auslenkungsmessers.

Bei Fig. 1 ist das Funktionsschema des Spannungsregistriergerätes durch dicke Striche gekennzeichnet. Die mechanischen Verbindungsteile des Gerätes sind durch dünne, unterbrochene Striche angedeutet und umfassen einen Schwenkarm 1, der um die Achse 2 schwenkbar ist. Am Ende des Schwenkarmes ist ein senkrecht orientiertes ebenes Blättchen 3 aufgehängt, z. B. aus mattiertem Platin. Dieses Blättchen wird teilweise in die zu untersuchende Flüssigkeit eingetaucht. Auf das Blättchen wirkt eine Kraft F, deren Messung unmittelbar den Wert der Oberflächenspannung angibt nach der Formel

π =

2L '

Hierin ist L die Längsabmessung des Blättchens. Die Oberflächenspannung ist in dyn pro Zentimeter ausgedrückt, wobei F in dyn und L in Zentimetern gemessen ist.

Das System sei ursprünglich im Gleichgewichtszustand. Die Kraft F tritt dann auf, sobald das Blättchen 3 mit der zu untersuchenden Flüssigkeit in Berührung kommt und in dieses teilweise eintaucht. Auf den Schwenkarm wirkt dann ein Kräftepaar C₁. Bei den üblichen nicht registrierenden, von Hand bedienten Geräten wird das Drehmoment C₁ durch ein gleich großes, jedoch entgegengerichtetes Drehmoment C₂ ausgeglichen, welches durch eine fest mit dem Schwenkarm verbundene Drehspule D, die von einem Strom/ durchflossen wird, erzeugt wird. Der Strom D ist also dem Drehmoment C₁, d. h. der Kraft F und also auch der Oberflächenspannung zi proportional. Die Messung des Stromes i ergibt dann ein Maß für die Oberflächenspannung π.

Bei der Anordnung gemäß der Erfindung ergibt jede Abweichung des Schwenkarmes 1 von seiner ursprünglichen Gleichgewichtslage eine Anzeige auf dem Registriergerät E, die der Abweichung von dem Gleichgewicht proportional ist, und anderseits einen Stromfluß in der beweglichen Spule D, der in gleicher Weise der Auslenkung proportional ist und der ein dem Drehmoment C₁ entsprechendes Drehmoment C₁ hervorruft und selbsttätig das Gleichgewicht des

ίο Schwenkarmes des Gerätes wiederherstellt.

Damit dies erreicht wird, enthält das erfindungsgemäße Gerät einen fest mit dem Schwenkarm 1 verbundenen Auslenkungsmesser A, der weiter unten im einzelnen beschrieben wird. Dieser Auslenkungsmesser ist so ausgebildet, daß an seinen Klemmen bei jeder geringen Auslenkung des Schwenkannes aus der Gleichgewichtsstellung eine dem Auslenkungswinkel proportionale Wechsel- oder Gleichspannung auftritt. Diese Spannung wird an den Eingang eines Verstärkers B von üblicher Bauart gegeben, der einen Gleichrichter C speist. Der Gleichrichter hat die Aufgabe, die von dem Verstärker abgegebene Wechselspannung gleichzurichten. Der Gleichrichter kann fortgelassen werden, wenn der mechanische Spannungsmesser eine Gleichspannung abgibt. Die Polarität der gleichgerichteten Spannung oder Gleichspannung U₂, die sich am Ausgang des Gleichrichters oder des Gleichspannungsverstärkers einstellt, hängt von der Richtung der Auslenkung des Schwenkarmes ab. Wenn die Spannung U₂ an die Klemmen des beweglichen Rahmens D gelegt wird, ruft sie einen Stromfluß in dem Rahmen hervor, der ein das Drehmoment C₁ ausgleichendes Drehmoment C₂ erzeugt. Anderseits wird die Spannung U₂ oder ein konstanter

Bruchteil derselben dem Registriergerät E zugeführt, das dann Werte aufzeichnet, die dem Drehmoment C₁

und also der Oberflächenspannung π proportional sind.

Bei einer ersten Ausführungsart des Spannungsregistriergerätes gemäß der Erfindung ist ein elektromagnetischer Auslenkungsmesser A vorgesehen. Der Aufbau des Schwenkarmes des mit diesem Auslenkungsmesser versehenen Gerätes ist in Fig. 2 dargestellt. Der Schwenkarm 1 ist um die Achse 2 schwenkbar gelagert und trägt ein Blättchen 3, das an einem Ende 4 des Schwenkarmes aufgehängt ist. Die Drehspule D ist fest mit dem Schwenkarm verbunden, auf den sie ein Drehmoment C₂ ausübt, das dem von dem Blättchen 3 erzeugten Drehmoment C₁ entgegen-

gerichtet ist. Die Spule D ist mit einem Phasendetektor C verbunden (Fig. 1). An dem Ende 5 des Schwenkarmes sind zwei genügend feste vertikale Fäden 6 und 7 aus Metall oder einem anderen Stoff befestigt. Sie dienen zum Halten der beiden gleichen flachen Spulen L₁ und L₂, die senkrecht untereinander angeordnet sind und gegenphasig in Serie geschaltet sind, wie in Fig. 3 gezeigt ist. Die freien Enden der zusammengeschalteten Spulen sind gemäß Fig. 1 mit einem Verstärker B verbunden. Die Spulen L₁ und L₂ sind fest mit dem Schwenkarm 1 verbunden und verschieben sich bei dessen Bewegung in dem Luftspalt 8 eines magnetischen Kreises 9. Mittels des magnetischen Kreises ist in dem Luftspalt 8 ein Wechselmagnetfeld H erzeugt.

Der Auslenkungsmesser hat die folgende Wirkungsweise: Wenn der Schwenkarm 1 in der Gleichgewichtsstellung ist, fließt durch die beiden Spulen L₁ und L₂ jeweils ein gleicher magnetischer Fluß. Dieser

Wechselfluß erzeugt in jeder Spule die gleiche elektromotorische Kraft. Da die Spulen gegenphasig in Serie zusammengeschaltet sind, erscheint an den beiden freien Enden keine Spannung. Wenn der Schwenkarm 1 ein wenig aus seiner Gleichgewichtslage ausschwenkt, sind die beiden Spulen nicht mehr von einem gleichen Magnetfluß durchquert, und an den freien Enden der Spulen entsteht eine Spannung, die dem Auslenkungswinkel des Schwenkarmes 1 proportional ist. Diese Spannung U_x wird auf den mit dem Phasendetektor C verbundenen Verstärker gegeben und ruft, wie weiter oben angegeben, einesteils einen Strom in der Drehspule D hervor, die dann auf den Schwenkarm ein dem Drehmoment C₁ entgegengerichtetes Drehmoment C₂ ausübt, und leitet anderseits ein Signal zum Registriergerät E.

In der Nähe des Endes 4 des einen Hebels ist ein Gegengewicht 10 befestigt, das das Gewicht der Spulen 1 und 2 und ihrer Aufhängung 6 und 7 ausgleicht.

Ein gemäß der obenerwähnten Bauart ausgeführter Auslenkungsmesser weist Spulen mit 100 Windungen aus Kupferdraht von 0,15 mm Durchmesser auf, die in einem Luftspalt von 2 mm Stärke angeordnet sind. Der Luftspalt ist in einem magnetischen Kreis vorgesehen mit einer Erregerwicklung für 6,3 V und 50 Hz. Jede Spule hat einen Querschnitt von 1,3 cm². Der Querschnitt des Magnetkreises beträgt 2 cm².

Gemäß einer abgeänderten Bauart ist ein fotoelektrischer Auslenkungsmesser vorgesehen. Diese Ausführungsart ist in Fig. 5 dargestellt. Eine Lichtquelle 11 wirft mittels eines gängigen optischen Systems 12 ein Lichtbündel konstanter Stärke auf eine Differential-Fotozelle 13, deren beide Zellenabschnitte untereinander angeordnet sind. Vor der Fotozelle 13 ist ein lichtundurchlässiger Schirm 14 angeordnet, der fest mit dem Schwenkarm 1 verbunden ist und die Beleuchtung eines Teiles der fotoempfindlichen Oberflächen der Zellen ermöglicht. Wenn der Schwenkarm 1 sich in seiner Gleichgewichtsstellung befindet, sind die beiden beleuchteten Oberflächenabschnitte gleich groß. Die beiden Einzelzellen sind mit Widerständen 15 und 16 zu einer Wheatstoneschen Brückenschaltung verbunden. Die Brücke wird von einer Wechsel- oder Gleichspannungsquelle 17 gespeist, die mit dem gemeinsamen Anschlußpunkt der Einzelzellen und mit dem Verbindungspunkt der Widerstände 15 und 16 verbunden ist. Die beiden anderen Verzweigungspunkte 18 und 19 der Brücke sind mit dem Verstärker B verbunden (Fig. 1). Wenn der Schwenkarm sich im Gleichgewicht befindet, ist auch die Brücke im Gleichgewicht, und es erscheint keine Spannung an den Klemmen 18 und 19. Wenn die Oberflächenspannung der untersuchten Flüssigkeit eine geringe Verschiebung des Platinblättchens 3 hervorruft, verschiebt sich der Schirm 14, wodurch ein ungleicher Lichtfluß auf die beiden fotoempfindlichen Flächen hervorgerufen wird. Die Brücke ist nicht mehr im Gleichgewicht, und es entsteht eine Wechselspannung U₁ an den Klemmen 18 und 19. Diese Spannung ist dem Auslenkungswinkel des Schwenkarmes 1, d. h. dem Drehmoment C₁, proportional und hat die gleiche Aufgabe wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel: Sie bewirkt die Aufzeichnung eines dem Drehmoment C₁ proportionalen Wertes durch das Registriergerät E und ruft ein Drehmoment C₂ hervor, das dem Drehmoment C₁ dem Betrag nach gleich, jedoch entgegengesetzt gerichtet ist.

Das Registriergerät gemäß der Erfindung erweitert die Anwendungsmöglichkeiten dieser Apparate beträchtlich. Durch die kontinuierliche Aufzeichnung von Veränderungen der Oberflächenspannung und anderer, gleichartiger Größen ermöglicht es sehr verschiedenartige Untersuchungen, z. B. den des Einflusses konstanter oder veränderlicher äußerer Faktoren auf ein gegebenes Medium. Unter anderem sei erwähnt die Untersuchung von Veränderungen des Oberflächendruckes monomolekularer Proteinschichten als Funktion von der Zeit, die z. B. durch die Wirkung einer Bestrahlung oder durch die Änderung des Trägers hervorgerufen wird.

Claims (4)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Registriereinrichtung für Oberflächenspannungen od. dgl. mit einem senkrechten ebenen Blättchen, das teilweise in die zu messende Flüssigkeit eintaucht und an einem Schwenkarm aufgehängt ist, der fest mit einer Drehspule verbunden ist, so daß beim Stromfluß durch die Drehspule ein Drehmoment auf den Schwenkarm ausgeübt wird, gekennzeichnet durch einen Auslenkungsmesser für die Auslenkung des Schwenkarmes, der eine von der Größe der Auslenkung abhängige elektrische Spannung liefert, und durch einen mit dem Auslenkungsmesser verbundenen Verstärker, wobei die Ausgangsspannung des Verstärkers der Drehspule zugeführt wird, um ein dem durch die Oberflächenspannung hervorgerufenen Drehmoment entgegengerichtetes Drehmoment zu bilden, und zugleich an ein Registriergerät geleitet wird.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines Wechselspannungsverstärkers ein Gleichrichter hinter dem Verstärker angeordnet ist.

3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein fotoelektrischer Auslenkungsmesser verwendet wird mit einer Differential-Fotozelle, deren beide Zellenteile in aneinandergrenzende Zweige einer Wheatstoneschen Brücke eingefügt und in dem Strahlengang eines Lichtbündels angeordnet sind, wobei das auf die Fotozelle fallende Lichtbündel durch einen mit dem Schwenkarm fest verbundenen lichtundurchlässigen Schirm teilweise abgeblendet ist.

4. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektromagnetischer Auslenkungsmesser verwendet wird mit zwei untereinander angeordneten und gegenphasig geschalteten Spulen, die mit dem Schwenkarm verbunden sind und in dem Luftspalt eines Wechselstrommagneten derart angeordnet sind, daß nur ein Teil ihres Querschnittes von Magnetfeldlinien durchsetzt ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 109 710/260 10.