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Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung
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von Oberflächenspannung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur
Bestimmung von Oberflächenspannung, bei dem die Flüssigkeitsprobe in den Bereich
des Druckknotens einer stehenden Ultraschallwelle geführt wird, sowie eine Vorrichtung
zur Durchführung des Verfahrens.
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Für die Bestimmung der Oberflächenspannung von Flüssigkeiten oder
Schmelzen sind verschiedene Meßverfahren bekannt. Sie werden in Bezug auf die verwendeten
Flüssigkeitseigenschaften als statische oder dynamische Verfahren bezeichnet. Zu
den statischen Methoden gehören z.B. alle Bügel-, Steighöhen-, Tropfen-, Blasen-
und Krümmungsdruck-Methoden, während die dynamischen Meßmethoden angeregte Schwingungen
von Flüssigkeiten auswerten (F. Kohlrausch, "Praktische Physik, Band L, B.G. Teubner
Verlag, 1968, S. 186-1913.
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Die statischen Verfahren sind am weitesten entwickelt und werden für
Messungen in der Praxis am häufigsten eingesetzt.
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Auf die Meßgenauigkeit wirken sich jedoch Halterungen der Oberflächeti
der Meßeinrichtungen sowie unvollst.indige Benetzung zwischen Apparatur und Flüssigkeit
nachteilig aus.
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Die dynamischen Verfahren besitzen nicht das Problem der Oberflächenalterung.
Ebenso werden die Messungen nicht, wie bei den statischen Verfahren, durch die Vollständigkeit
der Benetzung beeinflußt, da nur die Eigenschaften von freien Flüssigkeitsoberflächen
in Form von Wellenlängen, Resonanzfrequenzen oder Phasendifferenzen zur Auswertung
herangezogen werden. So ist z.B. ein Verfahren bekannt, bei dem die Stoffparameter
durch Anregung von Oszillationen bzw. Pulsationen an einem in einer stehenden Ultraschallwelle
schwebenden Tropfen berührungslos ermittelt werden können (DE-OS 27 09 698). Der
Nachteil dieses Verfahrens liegt darin, daß positionierte Tropfen höherer Viskosität
keine auswertbare Resonanz zeigen und unter terrestrischen Bedingungen durch stehende
Ultraschallwellen nur kleine Tropfen unverformt in der Schwebe zu halten sind. Ferner
sind zur Durchführung von dynamischen Meßverfahren allgemein aufwendige Vorrichtungen
erforderlich.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde,
ein
Verfahren zu entwickeln, das die Vorteile der dynamischen Meßmethoden aufweist,
jedoch ohne den gerätetechnischen Aufwand kontinuierlich durchgeführt werden kann.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung soll einen mobilen Einsatz für Schnellbestimmungen
der Oberflächenspannung, insbesondere von Flüssigkeiten mit veränderlichen Stoffparametern,
ermöglichen.
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Es hat sich nun gezeigt, daß sich diese Aufgabe lösen läßt, wenn die
Probe in Form eines Flüssigkeitsstrahls eingeleitet, die Schnelleamplitude im Druckknoten
bis zum Auseinanderreissen des Flüssigkeitsstrahls kontinuierlich erhöht und die
für das Auseinanderreißen erforderliche Schnelleamplitude als Maß für die Oberflächenspannung
benutzt wird.
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Die Schnelleamplitude kann durch Steigerung der Ultraschall-Generatorleistung
bzw. Ultraschall-Senderamplitude erhöht und die für das Auseinanderreißen des Flüssigkeitsstrahls
erforderliche Generatorleistung bzw. Senderamplitude als Maß für die Oberflächenspannung
benutzt werden. Nach einer weiteren Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird die Erhöhlung der Schnelleamplitude durch Steigerung des Gasdrucks bzw. der
Gasdichte bei konstanter Ultraschall-Generatorleistung bzw. Ultraschall-Senderamplitude
erreicht. In diesem Fall kann der im Moment des Auseinanderreißens des Flüssigkeitsstrahls
gemessene Gasdruck zur Ermittlung der Oberflächenspannung herangezogen werden.
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Der Durchmesser des in den Bereich der Ultraschallwelle geführten
Flüssigkeitsstrahls kann in weiten Grenzen variieren.
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Er beträgt jedoch vorzugsweise zwischen 1 und 5 mm. Die Vorrichtung
zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in den AnsprUchen 5 bis 8
beschrieben.
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Die Erfindung basiert auf der Tatsache, daß Flüssigkeitsstrahlen im
Schnellebauch bzw. Druckknoten eines stehenden Ultraschallfeldes auseinanderreißen.
Hierfür wird zwischen einem kolbenmembranförmigen schwingenden Ultraschallsender
mit einer Arbeitsfrequenz von z.B. 20 kHz und einem diesem im Resonanzabstand von
x0 = n # /2, mit n = 1, 2, 3, ..., gegenberliegenden ebenen Reflektor ein stehendes
Wellenfeld erzeugt. Das Wellenfeld läßt sich durch den Schalldruck p bzw.
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Schallschnelle v beschreiben: p(x) = pmax ccs kx
wobei k = 2X = Wellenzahl, Ä X = Wellenlänge, f c0 = Schallgeschwindigkeit im gasförmigen
Medium, z.B.Luft, = Dichte des Gases bedeuten.
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Wird die zu messende Flüssigkeit in einem zylindrischen Strahl radial
in das Ultraschallwellenfeld eingeleitet, so wirken durch die schwingenden Moleküle
des gasförmigen Mediums auf sie die axialen Kräfte des Schallstrahlungsdrucks str
und die radial nach außen gerichteten Kräfte des Bernoulli Unterdrucks
Im Zusammenwirken dieser beiden Drucke erhält man die auf den Flüssigkeitsstrahl
einwirkenden Kräfte. Der Gradient des Schallstrahlungsdrucks erzeugt eine Axialkraft
in Ausbreitungsrichtung der Schallwelle und drückt den Strahl in den Bereich mit
dem kleinsten Strahlungsdruck, den Druckknoten. In diesem Bereich wird ein Flüssigkeitsstrahl
zunächst zu einem Film auseinandergezogen. Am Rande dieses Films werden dann von
den Gasmolekülen Scherkräfte erzeugt, die zum radialen Abnebeln von Flüssigkeitströpfchen
führen. Den Kräften zur Flüssigkeitsdesintegration wirkt seitens des zylindrischen
Strahls der Kapilardruck kapillar entgegen: PKapillar r wobei # die Oberflächenspannung
der Flüssigkeit und r den Strahlungsradius bedeuten.
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Für Flüssigkeiten mit großer Oberflächenspannung werden dementsprechend
proportional größere Schallpegel zur Überwindung des Kapillardrucks benötigt. Größere
Schallpegel p sind entweder durch Erhöhung der Schnelleamplitude vO des Senderwandlers
oder durch Erhöhung der Gasdichte bzw. des Gasdrucks: p = #0 . c0 . v0 = # . #0
. c0 . A0 möglich. Die Gasdichte #0 wird bei erhöhtem statischem Gasdruck pgas zu
# = #0 (P/p0)Gas In diesen Gleichungen bedeuten X = 2 # f = Kreisfrequenz f = Ultraschallfrequenz
Ao = Senderwandleramplitude qo = Gasdichte.
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Aus diesen Zusammenhängen ergibt sich die Möglichkeit, die Oberflächenspannung
der Flüssigkeit über die Parameter Amplitude oder Leistung des Ultraschallsenders
zu bestimmen: = K1 . A² = K2 . N
wobei N die Leistung des Ultraschallgenerators
und K1 bzw. K2 die Gerätekonstanten bedeuten.
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Die Messung der Oberflächenspannung reduziert sich somit auf die Messung
der zum Auseinanderreißen des Flüssigkeitsstrahls erforderlichen Senderamplitude
A, der Ultraschalleistung N oder des Gasdrucks.
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Die Gerätekonstanten K1 und K2 lassen sich durch Verwendung von Eichflüssigkeiten
bekannter Oberflächenspannung unmittelbar bestimmen.
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Der Zerstäubungseinsatz im Druckknoten des Wellenfeldes kann entweder
direkt beobachtet werden oder über optische Empfänger durch Absorptions- oder Streuungsanzeigen
kontrolliert werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung werden anhand beiliegender
Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in schematischer Vereinfachung: Figur 1 bis
4 mögliche Ausführungsformen für die erfindungsgemäße Vorrichtung.
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Figur 1 zeigt einen gestuften Ultraschallsenderwandler 1 mit der Abstrahlfläche
2 und z.B. piezoelektrischer Anregung 3. im
Abstand xO = n X /2
befindet sich ein justierbarer Reflektor 4. Aus einem Vorratsgefäß 5 wird durch
eine axial justierbare Kapillare 6 ein Flüssigkeitsstrahl einstellbaren Durchmessers
in den Schalldruckknoten eingeleitet. Die elektrische Leistung am Ultraschallgenerator
7 wird nun soweit erhöht bis der Strahl desintegriert und gemessen. Anstelle der
Leistung kann über einen Wirbelstromsensor 8 auch die Amplitude des Senderwandlers
gemessen und in Werten der Oberflächenspannung geeicht werden.
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Aus Figur 2 und 3 geht hervor, daß der Desintegrationseinsatz durch
optische Sensoren, z.B. durch eine Lampe 9 und eine Photozelle 10, in Form einer
Lichtschranke (Figur 2) oder Streulichtmessung (Figur 3) kontrolliert werden kann.
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In Figur 4 wird eine Vorrichtung gezeigt, bei der die Anderung der
Schnelleamplitude über die Erhöhung des Gasdrucks erfolgt. Das oben beschriebene
System befindet sich in diesem Fall in einem abgeschlossenen Behälter 11. Die Änderung
des Gasdrucks erfolgt über den Stutzen 12 und Absperrventil 13.
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Der zum Auseinanderreißen des Flüssigkeitsstrahls erforderliche Gasdruck
läßt sich am Manometer 14 ablesen.