RU2135981C1

RU2135981C1 - Device measuring surface stretching of liquid

Info

Publication number: RU2135981C1
Application number: RU97117715A
Authority: RU
Inventors: М.М. Мордасов; С.В. Мищенко; Д.М. Мордасов
Original assignee: Тамбовский государственный технический университет
Priority date: 1997-10-28
Filing date: 1997-10-28
Publication date: 1999-08-27

Abstract

FIELD: various branches of industry, chemical, paint and varnish and food industries included. SUBSTANCE: device measuring surface stretching of liquid has pneumoacoustic unit with pneumatic vessel, generator of acoustic vibrations, former of plane acoustic wave and meter of sound pressure in the form of jet turbulent amplifier. Pneumoacoustic unit is made fast to jet element and displacement aid connected to control unit. Control unit is also connected to generator of linearly-rising pressure and to computer. Meter of displacement and flowmeter are connected to computer. EFFECT: increased accuracy of measurement of surface stretching of liquid. 1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к пневматическим устройствам для измерения поверхностного натяжения жидкостей, и может найти применение в таких отраслях промышленности, как химическая, лакокрасочная и пищевая промышленность. The invention relates to measuring equipment, in particular to pneumatic devices for measuring the surface tension of liquids, and may find application in such industries as the chemical, paint and varnish and food industries.

Известно бесконтактное устройство для поверхностного натяжения жидкостей (A noncontacting tecnique for measuring surface tension of liquids/ Cinbis C. , Khuri-Yakub B.T.// Rev. Sci. Instrum.., 1992, Vol. 63, N 3, P. 2048-2050. ), содержащее фокусирующий ультразвуковой генератор и оптический микроскоп, измеряющий амплитуду капиллярных волн, по которой судят о поверхностном натяжении. A non-contact device for surface tension of liquids is known (A noncontacting tecnique for measuring surface tension of liquids / Cinbis C., Khuri-Yakub BT // Rev. Sci. Instrum .., 1992, Vol. 63, No. 3, P. 2048-2050 .) containing a focusing ultrasonic generator and an optical microscope measuring the amplitude of the capillary waves, which is used to judge the surface tension.

Недостатком такого устройства является невозможность контроля высоковязких сред в условиях производства, а также сред, характеризующихся пожаро-и взрывоопасностью, вследствие применения электрических устройств для возбуждения и регистрации пучка капиллярных волн. The disadvantage of this device is the inability to control highly viscous media under production conditions, as well as media characterized by fire and explosion hazard, due to the use of electrical devices to excite and register a capillary wave beam.

Наиболее близким к предложенному по технической сущности является устройство для измерения поверхностного натяжения (Авторское свидетельство СССР N 9357541, М, Кл.³ G 01 N 13/02, 15.06.82, Би. N 22), содержащее струйный элемент, состоящий из струйной трубки, расположенной под углом к поверхности контролируемой жидкости, и двух трубок, размещенных на одной оси в плоскости, параллельной поверхности жидкости, расходомер, дроссель и источник расхода газа.Closest to the proposed technical essence is a device for measuring surface tension (USSR Author's Certificate N 9357541, M, CL ³ G 01 N 13/02, 06/15/82, Bi. N 22), containing a jet element consisting of a jet tube located at an angle to the surface of the controlled fluid, and two tubes placed on the same axis in a plane parallel to the surface of the fluid, a flow meter, a throttle and a gas flow source.

Недостатком устройства, принятого за прототип, является влияние на точность измерений изменения плотности контролируемой жидкости. The disadvantage of the device adopted for the prototype is the effect on the accuracy of measurements of changes in the density of the controlled fluid.

Технической задачей изобретения является повышение точности измерения поверхностного натяжения жидкости. An object of the invention is to improve the accuracy of measuring the surface tension of a liquid.

Поставленная техническая задача достигается за счет того, что устройство для измерения поверхностного натяжения снабжено струйной трубкой, расположенной под углом к поверхности контролируемой жидкости, пневмоакустическим блоком, источником постоянного расхода, устройством перемещения, измерителем перемещения, блоком управления, вычислительным блоком, генератором линейно нарастающего давления, генератором тактовых импульсов, при этом пневмоакустический блок снабжен пневматической емкостью, генератором акустических колебаний, формирователем плоской акустической волны и измерителем звукового давления в виде струйного турбулентного усилителя, и жестко соединен со струйным элементом и устройством перемещения, которое подключено к первому выходу блока управления, второй выход которого соединен с входом генератора линейно нарастающего давления, а третий подключен к входу вычислительного блока, к другим входам которого подключены выход измерителя перемещения и выход расходомера, к входам блока управления присоединены соответственно выходы струйного элемента, генератора тактовых импульсов и пневмоакустического блока. The technical task is achieved due to the fact that the device for measuring surface tension is equipped with a jet tube located at an angle to the surface of the controlled fluid, a pneumatic-acoustic unit, a constant flow source, a displacement device, a displacement meter, a control unit, a computing unit, a linearly increasing pressure generator, a clock pulse generator, while the pneumatic-acoustic unit is equipped with a pneumatic capacity, an acoustic oscillation generator, a leader in a plane acoustic wave and a sound pressure meter in the form of a jet turbulent amplifier, and is rigidly connected to a jet element and a moving device that is connected to the first output of the control unit, the second output of which is connected to the input of the ramp generator, and the third is connected to the input of the computing unit , to the other inputs of which the output of the displacement meter and the output of the flowmeter are connected, the outputs of the jet element, respectively, are connected to the inputs of the control unit eratora clock and pnevmoakusticheskogo block.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства для измерения поверхностного натяжения жидкости. Временная диаграмма работы устройства для измерения поверхностного натяжения представлена на фиг. 2. In FIG. 1 is a structural diagram of a device for measuring the surface tension of a liquid. A timing diagram of a surface tension measuring device is shown in FIG. 2.

Устройство для измерения поверхностного натяжения жидкости состоит из пневмоакустического блока 1, выполненного из пневмоемкости 2, в нижней части которой установлена диафрагма 3, выполняющая функцию генератора звуковых колебаний. Верхняя часть пневмоемкости 2 через штуцер соединена с источником постоянного расхода 4. К диафрагме 3 присоединен формирователь 5 плоской акустической волны, выполненный в виде отрезка трубы. Внутри формирователя 5 размещен турбулентный струйный усилитель, содержащий ламинарное питающее сопло 6 и приемное сопло 7. Пневмоакустический блок 1 расположен нормально к поверхности контролируемой жидкости. Пневмоемкость 2 механически соединена со струйным элементом 8, состоящим из струйной трубки 9, расположенной под углом к поверхности жидкости, и трубок 10 и 11, расположенных на одной оси в плоскости, параллельной поверхности жидкости. Кроме того, пневмоемкость 2 соединена с устройством перемещения 12 и с измерителем перемещения 13. Вход управления 14 устройством перемещения 12 подключен к выходу 15 блока управления 16, входы 17, 18 и 19 которого соединены соответственно с выходами приемного сопла 7, трубки 11 и генератора тактовых импульсов 20. A device for measuring the surface tension of a liquid consists of a pneumoacoustic unit 1 made of pneumatic capacity 2, in the lower part of which a diaphragm 3 is installed, which performs the function of a generator of sound vibrations. The upper part of the pneumatic reservoir 2 is connected through a nozzle to a constant flow source 4. A flat acoustic wave former 5, made in the form of a pipe segment, is connected to the diaphragm 3. Inside the shaper 5 there is a turbulent jet amplifier containing a laminar feed nozzle 6 and a receiving nozzle 7. The pneumoacoustic unit 1 is located normal to the surface of the controlled fluid. Pneumatic capacity 2 is mechanically connected to the jet element 8, consisting of a jet tube 9, located at an angle to the surface of the liquid, and tubes 10 and 11, located on the same axis in a plane parallel to the surface of the liquid. In addition, the pneumatic capacity 2 is connected to the displacement device 12 and to the displacement meter 13. The control input 14 of the displacement device 12 is connected to the output 15 of the control unit 16, the inputs 17, 18 and 19 of which are connected respectively to the outputs of the receiving nozzle 7, the tube 11 and the clock generator pulses 20.

Вход струйной трубки 9 подключен через дроссель 21 к выходу генератора линейно нарастающего давления 22 и к входу измерителя расхода 23. Выход 24 блока управления 16, выход измерителя перемещения 13 и выход измерителя расхода 23 подключены соответственно к входам 25, 26 и 27 вычислительного блока 28. The input of the jet tube 9 is connected through an orifice 21 to the output of the ramp pressure generator 22 and to the input of the flow meter 23. The output 24 of the control unit 16, the output of the displacement meter 13 and the output of the flow meter 23 are connected respectively to the inputs 25, 26 and 27 of the computing unit 28.

Выход 29 блока управления 16 подключен к входу генератора линейно нарастающего давления 22. К выходу вычислительного блока 28 присоединен вход вторичного показывающего и регистрирующего прибора 30. Входы трубки 10 и сопла 6 соединены с линией питания сжатым воздухом. The output 29 of the control unit 16 is connected to the input of the ramp generator 22. The input of the secondary indicating and recording device 30 is connected to the output of the computing unit 28. The inputs of the tube 10 and nozzle 6 are connected to the compressed air supply line.

Устройство для измерения поверхностного натяжения работает следующим образом. A device for measuring surface tension works as follows.

При поступлении сигнала P₂₀ = 1 (фиг.2, момент времени t₀) с выхода генератора тактовых импульсов 20 на вход блока управления 16 начинается процесс измерения.Upon receipt of the signal P ₂₀ = 1 (Fig. 2, time t ₀ ) from the output of the clock generator 20 to the input of the control unit 16, the measurement process begins.

В блоке 16 формируется сигнал, под действием которого устройство 12 перемещает измерительное устройство (пневмоакустический блок 1 и струйный элемент 8), приближая плоскость А-А, в которой расположены срезы формирователя 5 плоской акустической волны и трубки 9, к поверхности контролируемой жидкости 31. На вход 26 вычислительного блока 28 с выхода измерителя перемещения 13 поступает сигнал P₁₃, пропорциональный расстоянию от диафрагмы 3 до поверхности жидкости 31.In block 16, a signal is generated, under the action of which the device 12 moves the measuring device (pneumoacoustic unit 1 and inkjet element 8), approximating the plane AA, in which sections of the plane acoustic wave former 5 and tube 9 are located, to the surface of the monitored liquid 31. On the input 26 of the computing unit 28 from the output of the displacement meter 13 receives a signal P ₁₃ proportional to the distance from the diaphragm 3 to the surface of the liquid 31.

Газ с выхода источника постоянного расхода 4 поступает в пневматическую емкость 2, проходит через диафрагму 3, турбулизируется, генерируя при этом колебания звуковой частоты f. Возникающее звуковое давление воздействует на ламинарную струю, вытекающую из сопла 6, и разрушает ее структуру. На выходе приемного сопла 7 давление P₇ становится минимальным, то есть P₇ = 0.Gas from the output of the constant flow source 4 enters the pneumatic tank 2, passes through the diaphragm 3, is turbulized, thus generating oscillations of the sound frequency f. The resulting sound pressure acts on the laminar stream flowing from the nozzle 6, and destroys its structure. At the output of the receiving nozzle 7, the pressure P ₇ becomes minimal, that is, P ₇ = 0.

Падающая звуковая волна воздействует па поверхность жидкости 31 и отражается. В пространстве между диафрагмой 3 и плоскостью 31 происходит интерференция падающей и отраженной акустических волн, образуется стоячая волна, характерной особенностью которой является наличие пучностей и узлов в распределении звукового давления. При достижении некоторого критического расстояния l между диафрагмой 3 и поверхностью жидкости 31, равного иди кратного расстоянию до узла стоячей волны, структура ламинарной струи на выходе сопла 7 восстанавливается, при этом давление P₇ принимает свое максимальное значение, то есть P₇ = 1. Под действием этого давления в блоке управления 16 вырабатывается сигнал, отключающий устройство перемещения 12 и запускающий генератор линейно нарастающего давления 22. С выхода измерителя перемещения 13 на вход 26 вычислительного блока 28 поступает сигнал P₁, соответствующий критическому расстоянию l до поверхности жидкости 31. Линейно нарастающее давление с генератора 22 через дроссель 21 поступает на вход струйной трубки 9 и на вход измерителя расхода 23.An incident sound wave acts on the surface of the liquid 31 and is reflected. In the space between the diaphragm 3 and the plane 31, interference of the incident and reflected acoustic waves occurs, a standing wave is formed, a characteristic feature of which is the presence of antinodes and nodes in the distribution of sound pressure. Upon reaching a certain critical distance l between the diaphragm 3 and the surface of the liquid 31 equal to or a multiple of the distance to the standing wave unit, the structure of the laminar stream at the output of the nozzle 7 is restored, while the pressure P ₇ takes its maximum value, that is, P ₇ = 1. Under the action of this pressure in the control unit 16 produces a signal that turns off the movement device 12 and starts the linearly increasing pressure generator 22. From the output of the displacement meter 13 to the input 26 of the computing unit 28, the signal P ₁ , corresponding to the critical distance l to the surface of the liquid 31. The linearly increasing pressure from the generator 22 through the throttle 21 enters the inlet of the jet tube 9 and the input of the flow meter 23.

Струя газа, вытекающая из трубки 9, воздействует на поверхность жидкости 31, образуя углубление 32. При некотором критическом расходе на выходе трубки 9 поверхность углубления 32 входит в автоколебательный режим, а струя газа, взаимодействующая с поверхностью жидкости 31, приобретает криволинейную составляющую и совершает возвратно-поступательное движение с частотой колебания углубления. Вытекающая из трубки 10 ламинарная струя под действием потока газа, выходящего из углубления 32, турбулизируется, на вход 18 блока управления 16 поступает сигнал P₁₁ = 0. Управляющий сигнал с выхода 29 блока управления 16 отключает генератор линейно нарастающего давления 22, при этом на вход 27 вычислительного блока 28 с выхода измерителя расхода 23 поступает сигнал P_Q, соответствующий критическому расходу газа на выходе трубки 9. Одновременно с этим с выхода 24 блока управления 16 подается сигнал, запускающий вычислительный блок 28, на выходе которого формируется сигнал P₂₈, соответствующий величине поверхностного натяжения жидкости, поступающий на вход вторичного прибора 30.A gas jet flowing out of the tube 9 acts on the surface of the liquid 31, forming a recess 32. At a certain critical flow rate at the outlet of the tube 9, the surface of the recess 32 enters into a self-oscillating mode, and the gas stream interacting with the surface of the liquid 31 acquires a curvilinear component and returns - progressive movement with a frequency of oscillation of the recess. The laminar stream flowing out of the tube 10 under the action of a gas stream exiting from the recess 32 is turbulized, the signal P ₁₁ = 0 is supplied to the input 18 of the control unit 16. The control signal from the output 29 of the control unit 16 turns off the linearly increasing pressure generator 22, while the input 27 of the computing unit 28 from the output of the flow meter 23 receives a signal P _Q corresponding to the critical gas flow rate at the output of the tube 9. At the same time, a signal is issued from the output 24 of the control unit 16, which starts the computing unit 28, the output of which The signal P ₂₈ corresponding to the value of the surface tension of the liquid is fed to the input of the secondary device 30.

При поступлении сигнала P₂₀ = 0 (фиг. 2, момент времени t₁) с выхода генератора тактовых импульсов 20 на вход блока управления 16 начинается процесс, при котором система возвращается в исходное состояние: сигнал с выхода 29 блока управления 16 отключает генератор линейно нарастающего давления 22, на вход 14 устройства перемещения 12 с выхода 15 блока 16 поступает сигнал, посредством которого устройство перемещения 12 поднимает измерительное устройство.When a signal P ₂₀ = 0 (Fig. 2, time t ₁ ) arrives from the output of the clock pulse generator 20 to the input of the control unit 16, the process begins, in which the system returns to its initial state: the signal from the output 29 of the control unit 16 turns off the ramp generator pressure 22, the input 14 of the movement device 12 from the output 15 of the block 16 receives a signal through which the movement device 12 raises the measuring device.

При поступлении сигнала P₂₀ = 1 (фиг. 2, момент времени t₂) на вход блока управления 16 начинается процесс измерения, аналогичный изложенному выше.Upon receipt of the signal P ₂₀ = 1 (Fig. 2, time t ₂ ) at the input of the control unit 16, the measurement process begins, similar to the above.

Таким образом, о поверхностном натяжении жидкости судят по расстоянию от диафрагмы 3 до поверхности 31, при котором происходит ступенчатое изменение фазы образованной стоячей волны и по критическому расходу газа на выходе трубки 9, при котором углубление 32 на поверхности жидкости 31 начинает совершать возвратно-поступательные движения. Thus, the surface tension of the liquid is judged by the distance from the diaphragm 3 to the surface 31, at which the phase of the formed standing wave is gradually changed and by the critical gas flow rate at the outlet of the tube 9, at which the recess 32 on the surface of the liquid 31 starts to reciprocate .

Предлагаемое устройство для измерения поверхностного натяжения жидкости позволяет повысить точность измерений при проведении бесконтактного неразрушающего контроля высоковязких, агрессивных и быстрокристаллизующихся жидкостей) а также сред, характеризующихся пожаро- и взрывоопасностью, за счет проведения вспомогательных измерений плотности жидкости с использованием пневмоакустических эффектов сопровождающихся образованием стоячей волны в пространстве между генератором акустических колебаний и контролируемой поверхностью, путем измерения смещения ее экстремума при изменении фазы комплексного коэффициента отражения. The proposed device for measuring the surface tension of a liquid allows to increase the accuracy of measurements when conducting non-destructive non-destructive testing of highly viscous, aggressive and rapidly crystallizing liquids) as well as media characterized by fire and explosion hazard, due to auxiliary measurements of the density of the liquid using pneumoacoustic effects accompanied by the formation of a standing wave in space between an acoustic oscillator and a controlled surface, pu thereby measuring the displacement of its extremum when the phase of the complex reflection coefficient changes.

Claims

1. A device for measuring the surface tension of a liquid, containing a jet element consisting of a jet tube located at an angle to the surface of the controlled fluid, and two tubes placed on the same axis in a plane parallel to the surface of the liquid, a flow meter, a throttle, a gas flow source, characterized the fact that it is additionally equipped with a pneumatic-acoustic unit, a constant flow source, a displacement device, a displacement meter, a control unit, a computing unit, a linearly increasing pressure, a clock pulse generator, while the pneumatic-acoustic unit is rigidly connected to the jet element and the moving device, which is connected to the first output of the control unit, the second output of which is connected to the input of the linearly increasing pressure generator, and the third is connected to the input of the computing unit, to other inputs which the output of the displacement meter and the output of the flow meter are connected to, the outputs of the inkjet element, the clock generator and pneumoacoustic unit.

2. The device according to p. 1, characterized in that the pneumatic unit is equipped with a pneumatic tank, an acoustic oscillator, a plane acoustic wave shaper and a sound pressure meter in the form of a jet turbulent amplifier, while the pneumatic tank is connected to a constant flow source, a moving device, and a jet an element and generator of acoustic vibrations, to which a shaper of a plane acoustic wave is attached, inside of which there is a jet turbulent amplifier , Output channel is connected to the output pnevmoakusticheskogo block.