RU2702135C1 - Дифференциальный способ определения коэффициента диффузии молекул воды в газах - Google Patents

Дифференциальный способ определения коэффициента диффузии молекул воды в газах Download PDF

Info

Publication number
RU2702135C1
RU2702135C1 RU2018141454A RU2018141454A RU2702135C1 RU 2702135 C1 RU2702135 C1 RU 2702135C1 RU 2018141454 A RU2018141454 A RU 2018141454A RU 2018141454 A RU2018141454 A RU 2018141454A RU 2702135 C1 RU2702135 C1 RU 2702135C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
distance
current
water
sensors
sensor
Prior art date
Application number
RU2018141454A
Other languages
English (en)
Inventor
Анатолий Григорьевич Черных
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Красноярский государственный педагогический университет им. В.П. Астафьева" (КГПУ им. В.П. Астафьева)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Красноярский государственный педагогический университет им. В.П. Астафьева" (КГПУ им. В.П. Астафьева) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Красноярский государственный педагогический университет им. В.П. Астафьева" (КГПУ им. В.П. Астафьева)
Priority to RU2018141454A priority Critical patent/RU2702135C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2702135C1 publication Critical patent/RU2702135C1/ru

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области молекулярной физики, в частности к дифференциальным способам определения коэффициента диффузии молекул воды в газах. Дифференциальный способ определения коэффициента диффузии молекул воды в газах включает измерение силы тока в датчике влажности, размещенном в сосуде с водой, на расстоянии (х) от поверхности воды, соединенном в электрическую цепь с источником тока и измерительным устройством, отличается тем, что измерение силы тока проводят в сосуде с водой, в котором установлены два дополнительных датчика, с образованием системы из трех датчиков, находящихся в одномерном диффузионном процессе, при этом один дополнительный датчик размещен на расстоянии (х-Δх) от поверхности воды, другой на расстоянии (х+Δх) от поверхности воды, датчики системы соединены параллельно и подключены к источнику тока, каждый датчик подключен к собственному измерительному устройству, измерение силы тока в каждом датчике начинают проводить при изменении токов в датчиках во времени, при этом все датчики в цепи должны удовлетворять следующему условию - ток в каждом из датчиков при условии размещения их на одинаковом расстоянии от поверхности воды, должен быть одинаков, силу тока в каждом из трех датчиков измеряют одновременно, через рассчитанный экспериментальным путем интервал времени, повторно измеряют силу тока в датчике, размещенном на расстоянии (х) от поверхности воды, коэффициент диффузии рассчитывают по формуле
Figure 00000016
,
где Δх - расстояние между датчиками;
Figure 00000017
1(t) - ток в датчике, размещенном на расстоянии (x-∆x) от поверхности воды, в момент времени t;
Figure 00000017
2(t) - ток в датчике, размещенном на расстоянии (x) от поверхности воды, в момент времени t;
Figure 00000017
3(t) - ток в датчике, размещенном на расстоянии (x+∆x) от поверхности воды, в момент времени t;
Figure 00000017
2(t+Δt) - ток в датчике, размещенном на расстоянии (x) от поверхности воды, в момент времени (t+Δt);
Figure 00000018
- интервал времени, через который производится повторное измерение тока в датчике, размещенном на расстоянии (x) от поверхности воды. Техническим результатом является повышение точности определения коэффициента диффузии молекул воды в газах. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Description

Изобретение относится к области молекулярной физики, в частности к дифференциальным способам определения коэффициента диффузии молекул воды в газах, и может быть использовано в химической промышленности, в сельском хозяйстве для контроля режима влажности в помещениях и в емкостях, а также в учебных и научных целях для измерения коэффициента диффузии молекул воды в различных газовых средах.
Известен способ определения коэффициента диффузии молекул воды в газах из зависимости изменения концентраций компонентов газовой смеси от времени, для оценки которых применяются датчики, измеряющие коэффициент теплопроводности с использованием зависимости последнего от концентрации состава газовой смеси. Коэффициент диффузии вычисляют из полученного в результате измерений постоянного времени процесса, зависящего также и от геометрических размеров сосудов, образующих замкнутый объем (Лабораторные занятия по физике: учеб. пособие / Л.Л. Гольдин и др.; под ред. Л.Л. Гольдина. М.: Наука, 1983. С. 194-198).
Недостатком этого способа является сложность измерительной системы и ее настройки, поскольку требуется предварительное исследование зависимости теплопроводности газовой смеси от ее состава, невысокая точность измерений.
Известен также способ определения коэффициента взаимной диффузии молекул газов (RU №2581512 С1, G01N 13/00, 20.04.2016, Бюл. № 11), заключающийся в том, что частично заполняют жидкостью диффузионную ячейку в виде прозрачной капиллярной трубки, плотно закрытой с одного конца и открытой с другого, при этом, молекулы жидкости, испаряясь с ее поверхности, диффундируют к открытому концу, подчиняясь уравнению, согласно которому разность квадратов расстояния поверхности жидкости от свободного конца x2-x0 2 (в момент t>0 от начала измерения и в начальный момент t=0 соответственно) пропорциональна t, определяют коэффициент пропорциональности k из графика этой зависимости и вычисляют искомый коэффициент взаимной диффузии по формуле:
Figure 00000001
где:
ρж – плотность жидкости;
R – универсальная газовая постоянная;
Т – абсолютная температура;
p0 – парциальное давление пара во внешнем газе;
pн – парциальное давление насыщенного пара вблизи поверхности исследуемой жидкости при данной температуре T.
Основным недостатком способа является нестационарность диффузионного потока молекул исследуемой жидкости в применяемой для осуществления способа капиллярной трубке. В трубке идет процесс испарения жидкости – это приводит к тому, что расстояние от границы жидкости до выходного отверстия во «внешний» газ все время меняется – растет. Далее пары испаренной жидкости вступают в диффузионный процесс от точечного и нестационарного источника диффундирующих молекул во «внешний» газ. По существу, определение коэффициента взаимной диффузии молекул газов, сводится к применению эмпирической формулы, без учета физики процесса. Необходимо также отметить, что измерение динамики движения жидкости в трубке требует наличия оптической системы наблюдения, что усложняет измерительный процесс, т.к. время испарения воды из ячейки имеет величину порядка нескольких часов (это эквивалентно измерению высоты жидкости в стакане с водой).
Известен также способ определения коэффициента диффузии молекул воды в газах, основанный на определении динамики изменения концентрации молекул H2O на заданном расстоянии от поверхности воды – n(x,t) в процессе одномерной диффузии. Измерения осуществляют с использованием датчика влажности (RU №152497 U1, G01N 27/00, 10.06.2015, Бюл. № 16), который включает влагопоглощающий слой, пропитанный солями щелочных металлов и токопроводящие обкладки, выполненные в виде двух металлических сеточек, между которыми расположен влагопоглощающий слой, выполненный из тонкой бумаги, пропитанной хлоридом натрия, металлические сеточки скреплены по периметру и соединены в последовательную электрическую цепь с источником тока и измерительным устройством, в частности, мультиметром, измеряющим ток в цепи.
Из полученных зависимостей определяют D, как отношение расстояния от воды до датчика на характерное время выхода зависимости на стационарный уровень: D=x⁄τ.
Таким образом, измерение коэффициента диффузии при использовании метода с одним датчиком основано на измерении характерного времени выхода измеряемого тока на стационарный режим (ток в датчике пропорционален концентрации H2O в области датчика).
В процессе измерения характерного времени при небольших
Figure 00000002
(1–3) см могут возникнуть ошибки, связанные с тем, что процесс диффузии только начинает формироваться. На этом этапе могут появиться флуктуации в диффузионной зоне, обусловленные большим градиентом концентрации молекул воды на границе вода – газ. Этот эффект снижает точность измерения коэффициента диффузии.
Задачей изобретения является повышение точности определения коэффициента диффузии молекул воды в газах.
Технический результат, достигаемый при реализации заявленного способа, выражается в повышении точности определения коэффициента диффузии молекул воды в газах, за счет увеличения числа измеряемых параметров, описывающих диффузионный поток молекул H2O в газовой среде, и тем самым, более точно отражающих физику процесса.
Технический результат достигается тем, что в дифференциальном способе определения коэффициента диффузии молекул воды в газах, включающем измерение силы тока в датчике влажности, размещенном в сосуде с водой, на расстоянии (х) от поверхности воды, соединенным в электрическую цепь с источником тока и измерительным устройством, согласно изобретению измерение силы тока проводят в сосуде с водой, в котором установлены два дополнительных датчика, с образованием системы из трех датчиков, находящихся в одномерном диффузионном процессе, при этом, один дополнительный датчик размещен на расстоянии (х-Δх) от поверхности воды, другой на расстоянии (х+Δх) от поверхности воды, датчики системы соединены параллельно и подключены к источнику тока; каждый датчик подключен к собственному измерительному устройству; измерение силы тока в каждом датчике начинают проводить при изменении токов в датчиках во времени, при этом, все датчики в цепи должны удовлетворять следующему условию – ток в каждом из датчиков при условии размещения их на одинаковом расстоянии от поверхности воды, должен быть одинаков; силу тока в каждом из трех датчиков измеряют одновременно, через рассчитанный экспериментальным путем интервал времени, повторно измеряют силу тока в датчике, размещенном на расстоянии (х) от поверхности воды; коэффициент диффузии рассчитывают по формуле:
Figure 00000003
где:
Δх – расстояние между датчиками;
Figure 00000004
1(t) – ток в датчике, размещенном на расстоянии (x-∆x) от поверхности воды, в момент времени t;
Figure 00000004
2(t) – ток в датчике, размещенном на расстоянии (x) от поверхности воды, в момент времени t;
Figure 00000004
3(t) – ток в датчике, размещенном на расстоянии (x+∆x) от поверхности воды, в момент времени t;
Figure 00000004
2(t+Δt) – ток в датчике, размещенном на расстоянии (x) от поверхности воды, в момент времени (t+Δt);
Figure 00000005
– интервал времени, через который производится повторное измерение тока в датчике, размещенном на расстоянии (x) от поверхности воды (Δt подбирают экспериментально в соответствии с законами молекулярной физики).
При осуществлении способа определения коэффициента диффузии молекул воды в газах, одномерная диффузия может быть создана в стакане высотой 25–30 см, диаметром 4–6 см, со слоем воды 1–2 см; размещением нижнего датчика на расстоянии 1–4 см от поверхности воды, с одинаковым расстоянием между соседними датчиками, которое может составлять от 3 до 5 мм.
Измерение коэффициента диффузии основано на двух факторах:
– наличие датчика влажности, ток в котором пропорционален концентрации молекул воды в окрестности датчика;
– наличие математического уравнения, описывающего процесс одномерной самодиффузии, которое имеет вид:
Figure 00000006
Здесь n(x,t) – концентрация молекул воды в газе, в окрестности координаты x, в момент времени t, D – коэффициент диффузии.
Производные в уравнении, записанные в разностном виде:
Figure 00000007
Figure 00000008
Подставляя (2) и (3) в уравнение (1), получаем:
Figure 00000009
Так как ток в датчике пропорционален концентрации молекул воды в газе, формула для определения коэффициента диффузии примет вид:
D
Figure 00000010
где:
Figure 00000011
1(t) – ток в датчике, размещенном на расстоянии (x-∆x), в момент времени t;
Figure 00000004
2(t) – ток в датчике, размещенном на расстоянии (x), в момент времени t;
Figure 00000004
3(t) – ток в датчике, размещенном на расстоянии (x+∆x), в момент времени t;
Figure 00000004
2(t+Δt) – ток в датчике, размещенном на расстоянии (x), в момент времени (t+Δt).
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 показана схема расположения датчиков при осуществлении дифференциального способа определения коэффициента диффузии молекул воды в газах.
На фиг. 2 показана электрическая измерительная цепь дифференциального способа определения коэффициента диффузии молекул воды в газах, где: А1 – микроампереметр, измеряющий ток в датчике, размещенном на расстоянии (x-∆x), в момент времени t; А2 – микроампереметр, измеряющий ток в датчике, размещенном на расстоянии (x), в момент времени t; А3 – микроампереметр, измеряющий ток в датчике, размещенном на расстоянии (x+∆x), в момент времени t.
Позициями на чертежах отмечены:
1 – датчик влажности, размещенный на расстоянии (х-Δх) от поверхности воды; 2 – датчик влажности, размещенный на расстоянии (х) от поверхности воды; 3 – датчик влажности, размещенный на расстоянии (х+Δх) от поверхности воды; 4 – измерительный сосуд; 5 – поверхность воды; 6 – измерительные устройства (амперметры или мультиметры); 7 – источник тока.
Дифференциальный способ определения коэффициента диффузии молекул воды в газах осуществляют следующим образом.
В цилиндрический сосуд наливают воду комнатной температуры. Толщина слоя воды 1–2 см. На внутренней поверхности стенок сосуда не должно быть капель воды. В сосуде размещают подготовленную систему из трех одинаковых датчиков влажности, включенных в измерительную цепь параллельно. При этом один датчик устанавливают на расстоянии (х) от поверхности воды; другой датчик устанавливают ближе к поверхности воды, на расстоянии от нее, равном (х-Δх), третий датчик устанавливают выше первого, на расстоянии от поверхности воды, равном (х+Δх). Наиболее оптимальным расстоянием между датчиками является 3–5 мм. Подключают измерительную цепь к источнику постоянного тока (4,5–20) Вольт и одновременно измеряют силу тока в каждом датчике. В среднем датчике, находящемся на расстоянии (x) от воды, измерения тока проводят 2 раза: первый раз, когда измеряются токи во всех датчиках одновременно; второй раз – через Δt = 30 сек. после первого измерения. С учетом полученных результатов измерений определяют коэффициента диффузии молекул воды в газах по формуле:
D
Figure 00000010
Для корректировки сопротивления датчика в цепь можно подключить потенциометр.
Осуществление способа показано на примере.
Пример. В вертикально стоящий стакан высотой 30 см, диаметром 5 см, с налитой в него водой комнатной температуры до метки 1 см по высоте стакана, поместили три одинаковых датчика влажности, с расстоянием между датчиками по вертикали – 5 мм. Первый датчик расположен на расстоянии 1 см от поверхности воды, второй датчик на расстоянии 1,5 см от поверхности воды, третий на расстоянии 2 см от поверхности воды. После подключения измерительной цепи к источнику постоянного тока (4,5–20) Вольт, измеряли силу тока в каждом датчике. Через 30 сек. повторно измеряли силу тока в датчике, размещенном на расстоянии (х) от поверхности воды. Были зафиксированы следующие показания токов:
Figure 00000011
2(t) = 881 мкА
Figure 00000011
2(t+Δt) = 1254 мкА
Figure 00000011
1(t) = 2040 мкА
Figure 00000011
3(t) = 481 мкА
Подстановка измеренных величин в формулу расчета коэффициента диффузии дает:
Figure 00000012
Таким образом, заявляемый дифференциальный способ определения коэффициента диффузии молекул воды в газах, позволяет максимально подробно описать физический процесс диффузии молекул воды в газах и за счет увеличения числа измеряемых параметров, описывающих диффузионный поток молекул H2O в газовой среде, повысить точность определения коэффициента диффузии молекул воды в газах.

Claims (9)

1. Дифференциальный способ определения коэффициента диффузии молекул воды в газах, включающий измерение силы тока в датчике влажности, размещенном в сосуде с водой, на расстоянии (х) от поверхности воды, соединенном в электрическую цепь с источником тока и измерительным устройством, отличающийся тем, что измерение силы тока проводят в сосуде с водой, в котором установлены два дополнительных датчика, с образованием системы из трех датчиков, находящихся в одномерном диффузионном процессе, при этом один дополнительный датчик размещен на расстоянии (х-Δх) от поверхности воды, другой на расстоянии (х+Δх) от поверхности воды, датчики системы соединены параллельно и подключены к источнику тока, каждый датчик подключен к собственному измерительному устройству, измерение силы тока в каждом датчике начинают проводить при изменении токов в датчиках во времени, при этом все датчики в цепи должны удовлетворять следующему условию - ток в каждом из датчиков при условии размещения их на одинаковом расстоянии от поверхности воды должен быть одинаков, силу тока в каждом из трех датчиков измеряют одновременно, через рассчитанный экспериментальным путем интервал времени, повторно измеряют силу тока в датчике, размещенном на расстоянии (х) от поверхности воды, коэффициент диффузии рассчитывают по формуле
Figure 00000013
,
где Δх - расстояние между датчиками;
Figure 00000014
1(t) - ток в датчике, размещенном на расстоянии (x-∆x) от поверхности воды, в момент времени t;
Figure 00000014
2(t) - ток в датчике, размещенном на расстоянии (x) от поверхности воды, в момент времени t;
Figure 00000014
3(t) - ток в датчике, размещенном на расстоянии (x+∆x) от поверхности воды, в момент времени t;
Figure 00000014
2(t+Δt) - ток в датчике, размещенном на расстоянии (x) от поверхности воды, в момент времени (t+Δt);
Figure 00000015
- интервал времени, через который производится повторное измерение тока в датчике, размещенном на расстоянии (x) от поверхности воды.
2. Дифференциальный способ определения коэффициента диффузии молекул воды в газах по п. 1, отличающийся тем, что одномерную диффузию создают в стакане высотой 25-30 см, диаметром 4-6 см, со слоем воды 1-2 см, с размещением нижнего датчика на расстоянии 1-4 см от поверхности воды и одинаковым расстоянием между соседними датчиками от 3 до 5 мм.
RU2018141454A 2018-11-23 2018-11-23 Дифференциальный способ определения коэффициента диффузии молекул воды в газах RU2702135C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018141454A RU2702135C1 (ru) 2018-11-23 2018-11-23 Дифференциальный способ определения коэффициента диффузии молекул воды в газах

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018141454A RU2702135C1 (ru) 2018-11-23 2018-11-23 Дифференциальный способ определения коэффициента диффузии молекул воды в газах

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2702135C1 true RU2702135C1 (ru) 2019-10-04

Family

ID=68170683

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018141454A RU2702135C1 (ru) 2018-11-23 2018-11-23 Дифференциальный способ определения коэффициента диффузии молекул воды в газах

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2702135C1 (ru)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1758536A1 (ru) * 1990-04-12 1992-08-30 Херсонский Индустриальный Институт Устройство дл проведени пол рографических исследований
US8368411B2 (en) * 2007-07-30 2013-02-05 Fraunhofer-Gesellschaft Zur Foerderung Der Angewandten Forschung E.V Method for determining diffusion and/or transfer coefficients of a material
RU152497U1 (ru) * 2014-11-07 2015-06-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Красноярский государственный педагогический университет им. В.П. Астафьева" (КГПУ им. В.П. Астафьева) Датчик влажности
RU2581512C1 (ru) * 2014-11-27 2016-04-20 Борис Саранович Лиджиев Способ определения коэффициента взаимной диффузии молекул газов

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1758536A1 (ru) * 1990-04-12 1992-08-30 Херсонский Индустриальный Институт Устройство дл проведени пол рографических исследований
US8368411B2 (en) * 2007-07-30 2013-02-05 Fraunhofer-Gesellschaft Zur Foerderung Der Angewandten Forschung E.V Method for determining diffusion and/or transfer coefficients of a material
RU152497U1 (ru) * 2014-11-07 2015-06-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Красноярский государственный педагогический университет им. В.П. Астафьева" (КГПУ им. В.П. Астафьева) Датчик влажности
RU2581512C1 (ru) * 2014-11-27 2016-04-20 Борис Саранович Лиджиев Способ определения коэффициента взаимной диффузии молекул газов

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Tatarinov et al. The analysis of physical background of tree sap flow measurement based on thermal methods
Findlay Practical physical chemistry
RU2702135C1 (ru) Дифференциальный способ определения коэффициента диффузии молекул воды в газах
US3685346A (en) Direct reading quantitative gas measuring device
Ehrlich et al. Xenon self-diffusion near the critical point and on the liquid branch of the coexistence curve
RU2581512C1 (ru) Способ определения коэффициента взаимной диффузии молекул газов
RU146742U1 (ru) Диффузионная ячейка
RU2552598C1 (ru) Устройство для воспроизведения и передачи единиц массовой концентрации кислорода и водорода в жидких средах
Davies et al. lsopiestic Studies of Aqueous. Dicarboxylic Acid Solutions
CN113433050A (zh) 一种高温高压气-水-液硫三相相渗测试装置及方法
Fryburg et al. A precision vacuum gauge
DE102016113489A1 (de) Feuchte- und Dichtemessverfahren und –gerät für Feststoffe
US4301676A (en) Method for measuring the ionic activities in water with a differential pressure transducers
US3446056A (en) Method and apparatus for determining equilibrium temperature-pressure data of volatile liquids
RU148393U1 (ru) Устройство для воспроизведения и передачи единиц массовой концентрации кислорода и водорода в жидких средах
Lindsay Jr et al. Vapor pressure lowering of aqueous solutions at elevated temperatures
Levinson A simple experiment for determining vapor pressure and enthalpy of vaporization of water
RU2464595C2 (ru) Устройство для градуировки и поверки сигнализаторов довзрывоопасных концентраций паров многокомпонентных жидкостей в воздухе рабочей зоны
SU336563A1 (ru) Способ создания микроконцентрации паров жидкостей в потоке газа
Guczi et al. 1210. A modified type of thermal-diffusion cell, and its application to the measurement of Soret coefficients for solutions of carbon tetrachloride in benzene
Marynowski Experimental Investigations on Evaporation from Porous Media
Persson et al. A small‐scale matric potential sensor based on time domain reflectometry
RU2485487C1 (ru) Способ определения удельной объемной теплоты сгорания горючего газа в бомбовом калориметре и устройство для заполнения калориметрической бомбы горючим газом
Madsen et al. Air–water mass transfer and tracer gases in stormwater systems
Sun et al. Viscosity of ammonia at high temperature and pressure