RU2208777C2

RU2208777C2 - Method of measurement of surface tension of liquid media and device for realization of this method

Info

Publication number: RU2208777C2
Application number: RU2001103826A
Authority: RU
Inventors: М.М. Мордасов; В.И. Гализдра; Е.И. Корнеева
Original assignee: Тамбовский военный авиационный инженерный институт
Priority date: 2001-02-12
Filing date: 2001-02-12
Publication date: 2003-07-20

Abstract

FIELD: chemical, paint-and-varnish and food-processing industries. SUBSTANCE: proposed method includes measurement of time of attaining required deflection of reflection of light flux from surface at limiting magnitude of curvature radius; magnitude thus found will be used for determination of surface tension. Device proposed for realization of this method includes gas source, light source, jet tube, two light detectors, time counter, generator of linearly changing flow rate and flip-flop. EFFECT: enhanced accuracy of measurement; possibility of monitoring nontransparent viscous media. 3 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности, к бесконтактным аэрогидродинамическим способам и устройствам контроля поверхностного натяжения жидких веществ и может найти применение в различных отраслях промышленности. The invention relates to the field of measuring equipment, in particular, to non-contact aerohydrodynamic methods and devices for controlling the surface tension of liquid substances and can find application in various industries.

Известен способ измерения поверхностного натяжения (Залманзон Л.А. Аэрогидродинамические методы измерения входных параметров автоматических систем. - М.: Наука, 1973, с.61-62), заключающийся в деформации поверхности контролируемой жидкости газовой струей и измерении параметров образованного углубления как функции поверхностного натяжения путем использования оптического воздействия на среду. A known method of measuring surface tension (Zalmanzon L.A. Aerohydrodynamic methods for measuring the input parameters of automatic systems. - M .: Nauka, 1973, pp. 61-62), which consists in deforming the surface of a controlled fluid with a gas jet and measuring the parameters of the formed recess as a function of surface tension by using optical exposure to the medium.

Недостатком такого способа измерения поверхностного натяжения является невозможность его использования для непрозрачных сред. The disadvantage of this method of measuring surface tension is the inability to use it for opaque environments.

Наиболее близким по технической сущности является способ измерения поверхностного натяжения (Авторское свидетельство 1753369, М.кл.⁵ G 01 N 13/00, БИ 29, 1992 г. Способ определения поверхностного натяжения жидкостей /В.П. Астахов, М. М. Мордасов, В.Н. Журавлев), заключающийся в формировании углубления на поверхности жидкости газовой струей, вытекающей из сопла, измерении расхода газа и параметров углубления оптическими методами, при этом измеряют световой поток, проходящий через жидкость вдоль оси углубления, а о величине поверхностного натяжения судят по расходу газа, при котором световой поток минимален.The closest in technical essence is the method of measuring surface tension (Copyright certificate 1753369, M.cl. ⁵ G 01 N 13/00, BI 29, 1992. The method for determining the surface tension of liquids / V.P. Astakhov, M.M. Mordasov , V.N. Zhuravlev), which consists in the formation of a recess on the surface of a liquid with a gas jet flowing out of the nozzle, measuring the gas flow rate and parameters of the recess by optical methods, the light flux passing through the liquid along the axis of the recess is measured, and judging by the magnitude of the surface tension gas flow rate at which the luminous flux is minimal.

Недостатком способа, принятого за прототип, является невысокая точность вследствие значительной погрешности приборов для измерения расхода газа, а также невозможность работы с непрозрачными жидкостями. The disadvantage of the method adopted for the prototype is the low accuracy due to the significant error of instruments for measuring gas flow, as well as the inability to work with opaque liquids.

Известно устройство для измерения поверхностного натяжения жидкостей (Авторское свидетельство 851195, М.кл.³ G 01 N 13/02, БИ 28, 1981 г., Устройство для измерения поверхностного натяжения жидкостей /М.М. Мордасов), содержащее струйную трубку, блок фиксации момента перехода жидкости из устойчивого состояния в неустойчивое и расходомер, причем блок фиксации момента перехода жидкости из устойчивого состояния в неустойчивое содержит струйный элемент трубка-трубка, два струйных реле, реализующих логическую функцию "запрет", усилитель, генератор линейно нарастающего давления, дроссель и источник постоянного расхода воздуха.A device for measuring the surface tension of liquids (Copyright certificate 851195, M.cl. ³ G 01 N 13/02, BI 28, 1981, a device for measuring the surface tension of liquids / M.M. Mordasov), containing a jet tube, a block fixing the moment of liquid transition from a stable state to an unstable state and a flow meter, moreover, the block fixing the moment of liquid transition from a steady state to an unstable state contains a tube-to-tube inkjet element, two jet relays that implement the logic function "prohibition", an amplifier, and a generator linearly increasing pressure, a throttle and a source of constant air flow.

Недостатком такого устройства является невысокая точность измерения вследствие того, что при взаимодействии струи газа с поверхностью жидкости часть энергии струи за счет касательных напряжений передается жидкости, приводя в движение некоторую ее массу, и чем выше скорость газа в струе, тем больше количество жидкости приводится в движение. The disadvantage of this device is the low accuracy of the measurement due to the fact that during the interaction of a gas jet with the surface of the liquid, part of the energy of the jet is transferred to the liquid due to shear stresses, setting some mass in motion, and the higher the gas velocity in the stream, the greater the amount of liquid set in motion .

За прототип принято устройство для измерения поверхностного натяжения жидкости (Авторское свидетельство СССР 1712833, М.кл. G 01 N 13/02, БИ 6 1992 г. Устройство для измерения поверхностного натяжения /В.П. Астахов, Б. И. Герасимов, С. В. Мищенко, М.М. Мордасов и С.В. Пономарев), содержащее струйную трубку, расходомер, усилитель, чувствительный элемент, источник света и регулятор расхода, причем светоприемник размещен на одной оси, проходящей через центр взаимодействия газовой струи с жидкостью и постоянным источником света. A device for measuring the surface tension of a liquid was taken as a prototype (USSR Author's Certificate 1712833, M.cl. G 01 N 13/02, BI 6 1992. Device for measuring surface tension / V.P. Astakhov, B. I. Gerasimov, S V. Mishchenko, M.M. Mordasov and S.V. Ponomarev) containing a jet tube, a flowmeter, an amplifier, a sensing element, a light source and a flow regulator, the light detector being placed on one axis passing through the center of interaction of the gas jet with the liquid and a constant source of light.

Недостатком устройства, принятого за прототип, является непригодность его для измерения поверхностного натяжения непрозрачных и замутненных жидких сред вследствие потери информативности сигнала при прохождении через слой жидкости. The disadvantage of the device adopted for the prototype is its unsuitability for measuring the surface tension of opaque and turbid liquid media due to the loss of information content of the signal when passing through a layer of liquid.

Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения поверхностного натяжения жидких сред. The technical result of the invention is to improve the accuracy of measuring the surface tension of liquid media.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе на поверхность жидкости воздействуют струей газа с линейно изменяющимся расходом, фиксируют положение отраженного светового потока от поверхности жидкости до и после деформации, о величине поверхностного натяжения судят по времени отклонения отраженного светового потока на заданную величину, а устройство дополнительно снабжено вторым светоприемником, измерителем времени, триггером с раздельными входами, генератором линейно изменяющегося расхода, при этом сигналы с первого и второго светотоприемников, расположенных над поверхностью жидкости, поступают на соответствующие входы триггера, с раздельными входами, выходы которого соединены с измерителем времени и через электропневмопреобразователь с управляющим входом генератора линейно изменяющегося расхода газа, выход которого соединен с входом струйной трубки. The essence of the invention lies in the fact that in the method the liquid surface is exposed to a gas jet with a linearly varying flow rate, the position of the reflected light flux from the liquid surface before and after deformation is fixed, the magnitude of the surface tension is judged by the time of the deviation of the reflected light flux by a predetermined amount, and the device additionally equipped with a second light detector, a time meter, a trigger with separate inputs, a ramp generator, while the signals from the first and second of the light detectors located above the surface of the liquid are supplied to the respective inputs of the trigger, with separate inputs, the outputs of which are connected to a time meter and through an electropneumatic converter with a control input of a linearly varying gas flow generator, the output of which is connected to the input of the jet tube.

На чертеже представлена схема устройства для реализации способа измерения поверхностного натяжения. The drawing shows a diagram of a device for implementing the method of measuring surface tension.

Устройство содержит источник света 1, два светоприемника 2 и 3, расположенных над поверхностью жидкости 4, и выходы которых подключены соответственно к входам 5 и 6 триггера с раздельными входами 7, у которого прямой выход 8 соединен с входом измерителя времени 9, а инверсный выход 10 через электропневмопреобразователь 11 - с камерой 12 одноконтактного пневмоклапана 13, в камеру 14 которого подано давление подпора. Сопло 15 размещено в камере 16 клапана 13 и соединено через дроссель 17 с атмосферой. The device contains a light source 1, two light receivers 2 and 3 located above the surface of the liquid 4, and the outputs of which are connected respectively to the inputs 5 and 6 of the trigger with separate inputs 7, in which the direct output 8 is connected to the input of the time meter 9, and the inverse output 10 through an electro-pneumatic transducer 11 - with a chamber 12 of a one-contact pneumatic valve 13, into the chamber 14 of which a back pressure is applied. The nozzle 15 is placed in the chamber 16 of the valve 13 and is connected through the throttle 17 to the atmosphere.

Источник газа (не показан) подключен к входу пневмотумблера 18, выход которого соединен с входом 19 генератора линейно изменяющего расхода 20, который состоит из пневмоповторителя со сдвигом 21, двух дросселей 22 и 23, пневмоемкости 24, пневмоклапана 13, пневмоповторителя 25, причем выход пневмотумблера 18 соединен через дроссель 22 с камерой 26, выход из которой непосредственно, а из камеры 27 - через регулируемый дроссель 22 соединены с емкостью 24. Выход 28 с генератора линейно изменяющего расхода 20 подключен в струйную трубку 29. A gas source (not shown) is connected to the input of the pneumatic tumbler 18, the output of which is connected to the input 19 of the ramp generator 20, which consists of a pneumatic repeater with a shift of 21, two throttles 22 and 23, a pneumatic tank 24, a pneumatic valve 13, a pneumatic repeater 25, and the pneumatic tumbler output 18 is connected via a throttle 22 to a chamber 26, the output from which is direct, and from the chamber 27 through an adjustable throttle 22 are connected to a capacitor 24. The output 28 from the ramp generator 20 is connected to the jet tube 29.

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

Пуск устройства осуществляется подачей давления питания сжатым воздухом Р_пит включением тумблера 18 и подачей напряжения питания U_пит на вход источника света 1, на входы электронных устройств и элементов схемы. Выход тумблера 18 через дроссель 22 подключен к камере 26 пневмоповторителя со сдвигом 21.Start feeding device is fed with compressed air pressure P _pit turning toggle switch 18 and the power supply voltage U at the _pit entrance light source 1, the inputs of the electronic devices and circuit elements. The output of the toggle switch 18 through the inductor 22 is connected to the chamber 26 of the pneumatic repeater with a shift of 21.

В начальный момент времени поверхность жидкости не подвержена силовому воздействию газовой струи и имеет радиус кривизны, стремящийся к бесконечности, поэтому световой поток от источника света 1, отражаясь от недеформируемой поверхности, попадает на светоприемник 2, сигнал с которого подается на триггер с раздельными входами 7. Сигнал U₈=1 с прямого выхода 8 триггера 7 подается на измеритель времени 9, а напряжение инверсного выхода 10 триггера 7 - в электропневмопреобразователь 11, где преобразуется в давление Р и поступает на управляющий вход 30 генератора линейно изменяющего расхода 20 в камеру 12 одноконтактного клапана 13, при давлении Р=0 сопло 15 клапана 13 закрыто благодаря давлению подпора в камере 14. Генератор линейно изменяющего расхода 20 увеличивает расход газа в струйную трубку 29.At the initial moment of time, the surface of the liquid is not exposed to the force of the gas jet and has a radius of curvature tending to infinity, therefore, the light flux from the light source 1, reflected from the undeformable surface, enters the light detector 2, the signal from which is fed to a trigger with separate inputs 7. signal U ₈ = 1 with direct outlet 8 is supplied to the flip-flop 7 time meter 9, and the inverted output voltage of the flip-flop 10 7 - in elektropnevmopreobrazovatel 11 where it is converted to the pressure P and supplied to the control WMOs Generator 30 is ramped flow 20 into the chamber 12, said tip valve 13 at a pressure P = 0, the nozzle 15 of the valve 13 is closed due to the pressure in the pressurization chamber 14. The generator 20 is ramped flow rate increases gas flow rate in the spray pipe 29.

Как только деформация поверхности достигнет заданного значения, отраженный световой поток поступит на светоприемник 3 и триггер 7 переключится в новое положение, при котором напряжение U₈=0 на прямом выходе 8. Этим сигналом отключается измеритель времени 9, а сигнал U₁₀=1 с инверсного выхода 10 сформирует давление Р= 1 в камере 12, что повлечет перемещение мембранного блока пневоклапана 13 вниз. Сопло 15 откроется и через него произойдет сброс в атмосферу выходного сигнала с генератора линейно нарастающего давления 20, т.е. расход газа, подаваемый в струйную трубку 29, станет равным нулю.As soon as the surface deformation reaches a preset value, the reflected luminous flux will arrive at the light detector 3 and the trigger 7 will switch to a new position in which the voltage U ₈ = 0 at direct output 8. This signal turns off the time meter 9, and the signal U ₁₀ = 1 s inverse output 10 will form a pressure P = 1 in the chamber 12, which will entail the movement of the membrane block of the pneumatic valve 13 down. The nozzle 15 will open and through it there will be a discharge into the atmosphere of the output signal from the linearly increasing pressure generator 20, i.e. the gas flow supplied to the jet tube 29 will become equal to zero.

Генератор линейно изменяющего расхода 20 работает таким образом, что создаваемая временная задержка позволяет контролируемой жидкости 4 принять исходное состояние, тогда отраженный световой поток вернется в первоначальное положение, т. е. будет проходить через светоприемник 2, переключая триггер 7 и включая измеритель времени 9. The linearly varying flow generator 20 operates in such a way that the time delay created allows the controlled fluid 4 to return to its original state, then the reflected light flux will return to its original position, i.e., it will pass through the light receiver 2, switching trigger 7 and turning on the time meter 9.

Состояние равновесия пневмоповторителя 21 описывается уравнением (при условии, что результирующая сила F_n, развиваемая пружинами, стремится закрыть сопло сброса в атмосферу)

где Р₂₆ - давление в камере 26; S - площадь мембраны пневмоповторителя 20; P₂₅ - давление в камере 25 пневмоповторителя 20.The equilibrium state of the pneumatic repeater 21 is described by the equation (provided that the resulting force F _n developed by the springs tends to close the discharge nozzle into the atmosphere)

where P ₂₆ is the pressure in the chamber 26; S is the membrane area of the pneumatic repeater 20; P ₂₅ - pressure in the chamber 25 of the pneumatic repeater 20.

Так как давление в камеру 26 поступает из емкости пневматического инерционного звена первого порядка (дроссель 22, емкость 23), входным давлением для которого является Р₂₅, то изменение давления P₂₆ будет описываться дифференциальным уравнением

где

- постоянная времени инерционного звена; V₂₃ - объем емкости 23; R - газовая постоянная; θ - температура; β₂₂ - проводимость дросселя 22; t - время.Since the pressure in the chamber 26 comes from the tank of the pneumatic inertial link of the first order (throttle 22, tank 23), the input pressure for which is P ₂₅ , the pressure change P ₂₆ will be described by the differential equation

Where

- time constant of the inertial link; V ₂₃ - the volume of the tank 23; R is the gas constant; θ is the temperature; β ₂₂ - conductivity of the inductor 22; t is time.

С учетом (1) уравнение (2) примет вид

Решая дифференциальное уравнение (3) относительно Р₂₆, получим

Расход газа по струйной трубке 27 определяется из уравнения
G = α₂₈•(P₂₄-P_атм), (5)
где α₂₈ - проводимость струйной трубки 28; Р₂₄=P₂₆ - давление на выходе повторителя 24; P_атм - атмосферное давление.In view of (1), equation (2) takes the form

Solving differential equation (3) with respect to P ₂₆ , we obtain

The gas flow rate of the jet tube 27 is determined from the equation
G = α ₂₈ • (P ₂₄ -P _atm ), (5)
where α ₂₈ is the conductivity of the jet tube 28; P ₂₄ = P ₂₆ - pressure at the outlet of the repeater 24; P _atm is atmospheric pressure.

Учитывая (5), из уравнения (4) при Р_атм=0 получим

С другой стороны, расход газа вычисляется как произведение скорости истечения газа из трубки, плотности газа и площади поперечного сечения трубки
G(t) = W(t)•ρ_г(t)S_тр. (7)
Из (6) и (7) можно получить зависимость скорости истечения газа из трубки от времени

где α₂₈, ρ_г, T, F_n, S, S_тр - const. Выражение (8) показывает линейную зависимость скорости истечения газа, а следовательно и расхода, от времени.Given (5), from equation (4) with P _atm = 0 we get

On the other hand, the gas flow rate is calculated as the product of the rate of gas outflow from the tube, the gas density and the cross-sectional area
G (t) = W (t) • ρ _g (t) S _tr . (7)
From (6) and (7), we can obtain the time dependence of the rate of gas outflow from the tube

where α ₂₈ , ρ _g , T, F _n , S, S _tr - const. Expression (8) shows a linear dependence of the gas flow rate, and hence the flow rate, on time.

В свою очередь, скорость истечения газа из трубки на поверхность жидкости зависит и от свойств самой жидкости

где r - радиус капиллярной трубки, V_в - объем взаимодействия, h - высота углубления, l - длина свободной струи, К_п - коэффициент формы, учитывающий полное поперечное сечение потока, ΔА - разность между поверхностью углубления и поверхностью невозмущенной жидкости. Продифференцировав по

и преобразовав (9), получим, что h есть некоторая функция от поверхностного натяжения (h = f(σ).
Предложенные способ и устройство для измерения поверхностного натяжения позволяют повысить точность как в лабораторных, так и в производственных условиях при измерении непрозрачных сред.In turn, the rate of gas flow from the tube to the surface of the liquid also depends on the properties of the liquid itself

where r is the radius of the capillary tube, V _in is the interaction volume, h is the height of the recess, l is the length of the free stream, K _p is the shape coefficient taking into account the total cross section of the flow, ΔA is the difference between the surface of the recess and the surface of the unperturbed liquid. By differentiating by

and transforming (9), we obtain that h is a certain function of surface tension (h = f (σ).
The proposed method and device for measuring surface tension can improve accuracy in both laboratory and industrial conditions when measuring opaque media.

Поверхностное натяжение определяют по времени, за которое линейно изменяющийся расход газа отклонил отраженный световой поток на заданную величину. The surface tension is determined by the time during which a linearly varying gas flow rejected the reflected light flux by a predetermined amount.

Claims

1. A method of measuring the surface tension of liquid media, including the action of a gas jet flowing out of a nozzle, forming a recess on the surface of the liquid, measuring the parameters of the recess by optical methods, characterized in that the surface of the liquid is exposed to a gas stream with a linearly varying flow rate, and the position of the reflected light flux is fixed from the surface of the liquid before and after deformation, the magnitude of the surface tension is judged by the time deviation of the reflected light flux by a predetermined amount.

2. A device for measuring the surface tension of liquid media according to the method of claim 1, comprising a gas source, a jet tube, a light source, a sensing element made in the form of a light detector, characterized in that the device is additionally equipped with a second light receiver, a time meter, a trigger with separate inputs , a generator of a linearly varying flow rate, while the signals from the first and second light detectors located above the surface of the liquid are fed to the corresponding inputs of the trigger, with separate inputs, in passages are connected to the meter through elektropnevmopreobrazovatel time and the control input of the generator linearly varying gas flow, whose output is connected to the inlet jet tube.