RU2735315C1

RU2735315C1 - Liquid surface parameters gage

Info

Publication number: RU2735315C1
Application number: RU2020109535A
Authority: RU
Inventors: Константин Дмитриевич Казаринов; Игорь Геннадиевич Полников
Priority date: 2020-03-03
Filing date: 2020-03-03
Publication date: 2020-10-29

Abstract

FIELD: physics; chemistry.

SUBSTANCE: invention relates to physical and chemical research and can be used for measuring and monitoring characteristics of the surface of liquids, particularly aqueous solutions of chemical and biological nature, in various technological processes, medical diagnostics and biophysical studies. Liquid surface parameters meter has a liquid tray, a generator connected to the capillary wave creation system on the liquid surface and a fluid oscillation characteristics recording system, wherein system for creation on liquid surface of capillary waves is made in form of metal cylindrical electrode located parallel to liquid surface, and fluid oscillation recording system is two optocouples located at different distance from generator under transparent cuvette bottom.

EFFECT: technical result is higher accuracy and shorter measurement time.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области физико-химических исследований, а точнее, низкочастотной диэлектрометрии и может быть использовано для измерения и контроля поверхности жидкостей, в частности, водных растворов химической и биологической природы, в различных технологических процессах, медицинской диагностике и биофизических исследованиях.The invention relates to the field of physical and chemical research, or rather, low-frequency dielectrometry and can be used to measure and control the surface of liquids, in particular, aqueous solutions of chemical and biological nature, in various technological processes, medical diagnostics and biophysical research.

Известен экспериментальный метод измерения свойств жидкости с помощью определения параметров капиллярных волн на границе раздела фаз воздуха и жидкости [Maloy K.J., Feder J., Jossang, Т. An experimental technique for measurements of capillary waves. Rev. Sci. Instrum. 1989. 60. 481-486.]. В качестве генератора волнового процесса использовалась колеблющаяся струна. Капиллярные волны регистрировались с помощью лазерного луча, отраженного от границы раздела фаз. Измеренные параметры капиллярных волн на поверхности жидкости позволили вычислить поверхностное натяжение и вязкость жидкости. Была обнаружена дисперсионная зависимость капиллярных волн, а также коэффициент пространственного затухания и волновое число, согласующиеся с результатами, полученными динамическим рассеянием света и механическими методами.Known experimental method for measuring the properties of a liquid by determining the parameters of capillary waves at the interface between the phases of air and liquid [Maloy K.J., Feder J., Jossang, T. An experimental technique for measurements of capillary waves. Rev. Sci. Instrum. 1989. 60. 481-486.]. An oscillating string was used as a generator of the wave process. Capillary waves were recorded using a laser beam reflected from the interface. The measured parameters of capillary waves on the liquid surface made it possible to calculate the surface tension and viscosity of the liquid. The dispersion dependence of capillary waves was found, as well as the spatial damping coefficient and wavenumber, consistent with the results obtained by dynamic light scattering and mechanical methods.

К недостатком этого метода можно отнести небольшую амплитуду капиллярных волн, что требует высокой звуковой изоляции измерительной установки и учета контакта вибрирующего элемента генератора с поверхностью жидкости.The disadvantage of this method is the small amplitude of capillary waves, which requires high sound insulation of the measuring installation and taking into account the contact of the vibrating element of the generator with the surface of the liquid.

Прототипом предлагаемого устройства является конструкция, которая содержит генератор переменного тока, подающий напряжение на электродинамический вибратор, связанный со стеклянной палочкой - возбудителем капиллярных волн, плоскую металлическую пластину, образующую с поверхностью жидкости динамический конденсатор и вспомогательный электрод для измерения капиллярных волн. [Авт. свид. СССР №1260753 Устройство для определения поверхностного натяжения и вязкоупругих параметров жидкости / Носков Б.А., Кочурова Н.Н., Русанов А.И. Опубл. в Б.И., 1986, N3.].The prototype of the proposed device is a structure that contains an alternating current generator that supplies voltage to an electrodynamic vibrator connected to a glass rod - a capillary wave exciter, a flat metal plate that forms a dynamic capacitor with the liquid surface and an auxiliary electrode for measuring capillary waves. [Ed. wit. USSR No. 1260753 Device for determining surface tension and viscoelastic parameters of a liquid / Noskov BA, Kochurova NN, Rusanov AI Publ. in BI, 1986, N3.].

Устройство работает следующим образом. В рабочую емкость заливают исследуемую жидкость, над поверхностью которой помещают плоскую прямоугольную пластину так, чтобы узкая грань была параллельной поверхности жидкости. В жидкость вводится платиновый вспомогательный электрод в виде проволоки диаметром 0,5 мм на глубину 10 мм. Генератор переменного тока устанавливают на частоту 220 Гц и напряжение The device works as follows. The test liquid is poured into the working container, above the surface of which a flat rectangular plate is placed so that the narrow edge is parallel to the surface of the liquid. A platinum auxiliary electrode in the form of a wire with a diameter of 0.5 mm to a depth of 10 mm is introduced into the liquid. The alternator is set at a frequency of 220 Hz and voltage

амплитуды сигнала 3 В. Механический возбудитель капиллярных волн представляет собой стеклянную палочку, опущенную в жидкость и соединенную с электродинамическим вибратором. Для фиксированного значения разности фаз колебаний определяют длину капиллярной волны, а по изменению амплитуды электрического сигнала, пропорционального амплитуде волны, определяют коэффициент затухания капиллярных волн.signal amplitude 3 V. A mechanical exciter of capillary waves is a glass rod dipped into a liquid and connected to an electrodynamic vibrator. For a fixed value of the phase difference of oscillations, the length of the capillary wave is determined, and the attenuation coefficient of the capillary waves is determined from the change in the amplitude of the electrical signal proportional to the amplitude of the wave.

Недостатками устройства являются наличие контакта вибрирующего элемента генератора с поверхностью жидкости, что неизбежно приводит к значительным погрешностям результатов измерения за счет налипания пленок поверхностных веществ на вибрирующий стержень и неконтролируемо изменяет угол смачивания.The disadvantages of the device are the presence of contact of the vibrating element of the generator with the surface of the liquid, which inevitably leads to significant errors in the measurement results due to the adhesion of films of surface substances to the vibrating rod and uncontrollably changes the contact angle.

Технический результат, получаемый при использовании предлагаемого устройства, заключается в повышении точности измерений и сокращении времени измерений.The technical result obtained when using the proposed device consists in increasing the measurement accuracy and reducing the measurement time.

Указанный технический результат достигается тем, что в измерителе параметров жидкостей, содержащем кювету для жидкости, генератор, связанный с системой создания на поверхности жидкости капиллярных волн и системой регистрации характеристик колебаний жидкости, система создания на поверхности жидкости капиллярных волн выполнена в виде металлического цилиндрического электрода, расположенного параллельно над поверхностью жидкости, а система регистрации колебаний жидкости представляет собой две оптопары, расположенные на различном расстоянии от генератора под дном прозрачной кюветы.The specified technical result is achieved by the fact that in a liquid parameter meter containing a liquid cuvette, a generator connected to a system for creating capillary waves on the liquid surface and a system for recording characteristics of liquid oscillations, the system for creating capillary waves on the liquid surface is made in the form of a cylindrical metal electrode located parallel above the surface of the liquid, and the system for recording the oscillations of the liquid consists of two optocouplers located at different distances from the generator under the bottom of the transparent cuvette.

Конструкция устройства позволяет осуществлять измерения поверхностных свойств жидкости за короткий промежуток времени, что сокращает издержки процесса контроля различных веществ и, очень важно, в медицинской диагностике при необходимости экспресс анализа биологических жидкостей человека во время операций или лечебных процедур. В качестве генератора капиллярных волн используется металлический цилиндр, ось которого параллельна поверхности жидкости. Приложенное переменное напряжение к цилиндрическому электроду, создает колебательный процесс в жидкости и распространение капиллярных волн, изменение амплитуды которых регистрируется двумя оптическими датчиками, расположенными на расстоянии 20 и 40 мм от генератора под прозрачным дном кюветы. Искривление поверхности воды над датчиком от горизонтального положения приводит к изменению светового потока, отраженного от поверхности, что и регистрируется оптическим устройством. Отношение максимальных амплитуд, измеренных датчиками, определяет коэффициент затухания, а фиксированное значение разности фаз между сигналами - длину волны. Далее с помощью уравнений гидродинамики вычисляется поверхностное натяжение жидкости.The design of the device makes it possible to measure the surface properties of a liquid in a short period of time, which reduces the costs of the process of monitoring various substances and, very important, in medical diagnostics, if it is necessary to quickly analyze human biological fluids during operations or medical procedures. A metal cylinder is used as a capillary wave generator, the axis of which is parallel to the surface of the liquid. The applied alternating voltage to the cylindrical electrode creates an oscillatory process in the liquid and the propagation of capillary waves, the change in the amplitude of which is recorded by two optical sensors located at a distance of 20 and 40 mm from the generator under the transparent bottom of the cuvette. The curvature of the water surface above the sensor from the horizontal position leads to a change in the luminous flux reflected from the surface, which is recorded by the optical device. The ratio of the maximum amplitudes measured by the sensors determines the attenuation coefficient, and the fixed value of the phase difference between the signals determines the wavelength. Then, using the equations of hydrodynamics, the surface tension of the liquid is calculated.

На Фиг. 1 представлена схема измерительной установки, где 1 - цилиндрический электрод; 2 - усилитель электрического сигнала; 3 - ЦАП - цифроаналоговый преобразователь; 4 - прозрачная кювета; 5 - измеряемая жидкость; 6 - подставка для кюветы; 7, 8 - оптопары; 9 - компьютер.FIG. 1 shows a diagram of the measuring installation, where 1 is a cylindrical electrode; 2 - electric signal amplifier; 3 - DAC - digital-to-analog converter; 4 - transparent cuvette; 5 - measured liquid; 6 - support for the cuvette; 7, 8 - optocouplers; 9 - computer.

В предлагаемом устройстве используется генерация капиллярных акустических волн с помощью электрического поля. Электрическое поле взаимодействуя с жидкостью, приводит к деформации ее свободной поверхности вследствие явления электрострикции. В качестве генератора капиллярных волн используется металлический цилиндр диаметром 2 мм, расположенный параллельно поверхности жидкости на расстоянии 1 мм. Между цилиндром и поверхностью жидкости в малом объеме создается сильное неоднородное электрическое поле. Жидкость как диэлектрик с диэлектрической проницаемостью существенно большей, чем у воздуха втягивается в область сильного поля, где энергия системы поле-жидкость уменьшается, т.е. жидкость притягивается к цилиндру. Этому противодействуют силы поверхностного натяжения и тяжести. Прикладывая переменное напряжение частотой 100 Гц (длительность генерации в одном кадре 256 мс) и амплитудой 2 кВ к цилиндрическому электроду, мы создаем колебательный процесс в жидкости и распространение капиллярных волн, изменение амплитуды которых регистрируется двумя оптическими датчиками, расположенными на расстоянии 20 и 40 мм от генератора. Отношение максимальных амплитуд, измеренных датчиками, определяет коэффициент затухания, а сдвиг фаз между сигналами - длину волны.The proposed device uses the generation of capillary acoustic waves using an electric field. An electric field interacting with a liquid leads to deformation of its free surface due to the phenomenon of electrostriction. A metal cylinder with a diameter of 2 mm is used as a generator of capillary waves, located parallel to the surface of the liquid at a distance of 1 mm. A strong nonuniform electric field is created between the cylinder and the surface of the liquid in a small volume. A liquid as a dielectric with a dielectric constant significantly higher than that of air is drawn into the region of a strong field, where the energy of the field-liquid system decreases, i.e. the liquid is attracted to the cylinder. This is counteracted by surface tension and gravity forces. Applying an alternating voltage with a frequency of 100 Hz (the duration of generation in one frame is 256 ms) and an amplitude of 2 kV to the cylindrical electrode, we create an oscillatory process in the liquid and the propagation of capillary waves, the change in the amplitude of which is recorded by two optical sensors located at a distance of 20 and 40 mm from generator. The ratio of the maximum amplitudes measured by the sensors determines the attenuation coefficient, and the phase shift between the signals determines the wavelength.

Измерение диэлектрических характеристик поверхности жидкостей с помощью данного устройства выполняется следующим образом. В прозрачную кювету (4), выполняющую роль рабочей емкости, заливают исследуемую жидкость (5), на поверхность которой вводят контролируемое вещество, например, липидный бислой. Прикладывая переменное напряжение частотой 100 Гц (длительность генерации в одном кадре 256 мс) и амплитудой 2 кВ к цилиндрическому электроду (1), создается колебательный процесс в жидкости и распространение капиллярных волн, изменение амплитуды которых регистрируется двумя оптическими датчиками (7, 8), расположенными на расстоянии 20 и 40 мм от генератора. Измеряя отношение максимальных амплитуд капиллярных волн, измеренных датчиками и АЦП (3), определяют коэффициент затухания, а сдвиг фаз между сигналами - длину волны. Далее с помощью соотношений гидродинамики вычисляется поверхностное натяжение жидкости.The measurement of the dielectric characteristics of the surface of liquids using this device is as follows. The test liquid (5) is poured into a transparent cuvette (4), which serves as a working container, on the surface of which a controlled substance, for example, a lipid bilayer, is injected. Applying an alternating voltage with a frequency of 100 Hz (the duration of generation in one frame is 256 ms) and an amplitude of 2 kV to the cylindrical electrode (1), an oscillatory process is created in the liquid and the propagation of capillary waves, the change in the amplitude of which is recorded by two optical sensors (7, 8) located at a distance of 20 and 40 mm from the generator. By measuring the ratio of the maximum amplitudes of capillary waves measured by the sensors and the ADC (3), the attenuation coefficient is determined, and the phase shift between the signals is the wavelength. Then, using the hydrodynamic relations, the surface tension of the liquid is calculated.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет использовать бесконтактную генерацию капиллярных акустических волн с помощью электрического Thus, the proposed technical solution allows the use of contactless generation of capillary acoustic waves using electric

поля, которое приводит к деформации ее свободной поверхности вследствие явления электрострикции и обеспечивает повышение чувствительности результатов измерений диэлектрических параметров контролируемой жидкости. Кроме того, упрощается конструкция устройства за счет исключения стеклянного стержня, который необходимо тщательно промывать или же менять перед каждым измерением, что сокращает время измерений, что очень важно в медицинской диагностике при необходимости экспресс анализа биологических жидкостей человека во время операций или лечебных процедур.field, which leads to deformation of its free surface due to the phenomenon of electrostriction and provides an increase in the sensitivity of the results of measurements of the dielectric parameters of the controlled liquid. In addition, the design of the device is simplified by eliminating the glass rod, which must be thoroughly rinsed or changed before each measurement, which reduces the measurement time, which is very important in medical diagnostics when it is necessary to quickly analyze human biological fluids during operations or medical procedures.

Claims

A measuring device for the parameters of the surface of liquids, containing a cuvette for a liquid, a generator connected to a system for creating capillary waves on the surface of a liquid and a system for recording the characteristics of liquid oscillations, characterized in that the system for creating capillary waves on the surface of a liquid is made in the form of a metal cylindrical electrode located parallel above the surface liquid, and the system for recording liquid oscillations consists of two optocouplers located at different distances from the generator under the bottom of the transparent cell.