SU1718039A1 - Способ одновременного определени межфазного нат жени и в зкости жидкостей и устройство дл его осуществлени - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к физике. Целью изобретени   вл етс  повышение точности. Дл  этого используетс  зондирование межфазной границы раздела двум  параллельными лазерными лучами при возможности изменени  рассто ни  между ними в присутствии прозрачной дл  лазерного излучени  плоской границы раздела на некотором рассто нии от исследуемой поверхности жидкости. Зондирование исследуемой поверхности жидкости производ т под углом, превышающим угол полного внутреннего отражени . При этом данные о межфазном нат жении и в зкости жидкости получают из анализа пространственно-временных свойств лазерного излучени , прошедшего границу раздела фаз, на которой возбуждают поверхностные бегущие волны. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Description

Изобретение относитс  к физике, а именно к способам и устройствам дл  изучени  свойств межфазных границ раздела. Известны способ и устройство дл  измерени  поверхностного и межфазного нат жени  на основе изучени  колебаний вис щей капли.

Недостатком этого способа  вл етс  низка  точность.

Известны также способ изучени  свойств жидкости, основанный на спектроскопии когерентного света, рассе нного на поверхностных волнах,и устройство дл  его осуществлени .

В зкоупругие свойства границы раздела определ ютс , изуча  пространственно- частотные характеристики когерентного

света, рассе нного на поверхностных волнах .

При этом частота рассе нного когерентного света зависит от скорости движени  поверхностной волны, т.е. рассе нный свет претерпевает доплеровский сдвиг. В силу случайного характера поверхностных волн происходит уширение спектра рассе нного света, которое зависит также от затухани  поверхностных волн из-за в зкости жидкости . Это приводит к трудности анализа спектральных характеристик рассе нного света и выделени  информации о свойствах поверхностных волн, св занных со свойствами жидкости.

Наличие св зи между волновым числом поверхностной волны и частотой этой волны

XJ

00

о

00

ю

(дисперсионное соотношение) приводит к необходимости измерени  пространственных свойств рассе нного излучени . Недостатком этого способа  вл ютс  также трудности, св занные с регистрацией рассе нного света на тепловых поверхностных волнах, имеющих амплитуду 1 нм (10 м) в пределах волновых чисел (10-100 ). При этом угол рассе ни  составл ет величину пор дка 10 мрад ( рад).

Недостатком  вл етс  также необходимость защиты от посторонних вибраций и возмущений исследуемого объема жидкости .

Устройство дл  изучени  свойств жидкостей содержит источник когерентного света - лазер, формирующую оптику и дифракционную решетку дл  расщеплени  лазерного луча на два луча, фотоприемное устройство (ФЭУ) и электронную систему дл  анализа фототока.

Цель изобретени  - упрощение повышени  точности определени .

Способ одновременного определени  межфазного нат жени  и в зкости жидкостей заключаетс  в распределении лазерного луча на зондирующий м. дифрагированный, их фокусированиина исследуемую границу раздела фаз и детектировании отраженного и рассе нных от этой границы лучей. На пути лазерных лучей над исследуемой границей раздела фаз разме-. щают прозрачное дл  лазерного излучени  тело, например призму, с плоской поверхностью , обращенной к границе раздела фаз и расположенной от нее на рассто нии не более длины волны лазерного излучени . Показатель преломлени  прозрачного тела превышает показатель преломлени  фазы, в которой оно расположено. Расщепленные лучи направл ют к границе раздела фаз под углом, большим угла полного внутреннего отражени , а на границе раздела фаз жидкости производ т возбуждение поверхностных волн.

На фиг. 1 представлена схема устройства дл  одновременен) определени  межфазного нат жени  и в зкости жидкости; на фиг.2 - временна  зависимость сигналов фотоприемников; на фиг.З - схема измерени  длины волны поверхностных волн.

При возбуждении поверхностной волны ее амплитуда в одномерном случае представл етс  ввиде

А АО I (w t - q х),(1)

где у - коэффициент затухани 

2vaf

5

0

(3)

и - кругова  частота поверхностной волны;

g - ускорение свободного падени .

При этом св зь между угловой частотой поверхностной волны и волновым вектором определ етс  дисперсионным соотношением

efl gq+2q3,

In

где q -у- - модуль-волнового вектора поверхностной волны;

G - поверхностное (межфазное) нат жение;

р- плотность жидкости.

Поверхностное нат жение и в зкость жидкости определ ют по формулам

a-l SJLlp,

(4)

v

2 ft/

(5)

25

30

35

40

45

50

55

При детектировании излучени , прошедшего границу раздела, функциональна  зависимость фототока на выходе с фотоприемника имеет вид

I Епрош Ео exp (-2kz),(6)

2

гдек2 ()(п28Ш0-1);(7)

Ео - амплитуда волны на границе двух сред;

z - рассто ние по нормали к этой границе до некоторой точки в среде 2;

ш- углова  частота используемого излучени ; .

с - скорость света;

п т/па - показатели преломлени  первой и второй сред, разделенных границей раздела.

Дл г г0±А, где 2о- посто нный урозень жидкости;

А - амплитуда поверхностной волны.

Переменна  составл юща  фототока выражаетс  в виде .,

i Епрош Ео ехр - 2 k АО . х ехр i ( t x)j;(8)

i Епрош Ео ехр {- 2 k АО х

(wit-qx).(9)

Использу  дл  усилени  сигналов фотоприемника логарифмический усилитель, можно получить сигнал на выходе с усилител  в виде

U U0exp f (wi t-qx)(10)

и на экране осциллографа наблюдать периодический сигнал с частотой аи; длиной вол1 2л: ны А --, затухающий с коэффициентом

затухани  у.

v- кинематическа  в зкость;

На фиг.2 представлена картина переменного сигнала фототока при прохождении когерентного света через поверхность межфазной границы раздела: крива  12 - сигнал с первого фотоприемника при прохождении первого лазерного луча через поверхностную волну жидкости, кривые 13,14- сигнал с второго фотоприемника при разных положени х второго параллельного лазерного луча по отношению к первому лучу, Т - период сигнала, ft) - кругова  частота сигнала, равна  круговой частоте исследуемой поверхностной волны; t - врем , за которое амплитуда сигнала упадет в ё раз, у- коэффициент затухани  сигнала и поверхностной волны.

Измер  -рассто ние между максимумами электрического сигнала на выходе из логарифмического усилител , получают период колебаний поверхностной волны Т, а

2л: следовательно, и круговую частоту о - Измер   врем  затухани  t3 по моменту , когда амплитуда уменьшаетс  в е раз, определ ют в зкость согласно формуле (5).

Дл  определени  поверхностного или межфазного нат жени  в соответствии с выражением (4), помимо знани  м,измер ют

In1

волновое число q -у- или длину волны Я.

Дл  измерени  длины волны поверхностных волн необходимо использовать два зондирующих лазерных луча, один из которых может перемещатьс  параллельно другому (фиг. 1).

Перемеща  луч Л2 параллельно лучу /1i с фотоприемников получают выходной сигнал вида (10). Максимумы двух сигналов по времени совпадают только тогда, когда рассто ние L между точками пересечени  лучей с пучност ми поверхностной волны равно m Л где m - целое число: 1, 2, 3, 4...

Зна  рассто ниеL, можно определить длину волны А

и

-Ј

где m - целое число.

Фиг.З по сн ет принцип измерени  волнового числа поверхностной волны (длины волны) с помощью зондировани  межфазной границы двум  лучами. Луч Л неподвижен. Луч Л2 проходит через устройство , позвол ющее его смещать параллельно лучу Л1. L - рассто ние между точками одинаковой фазы поверхностной волны.

Дл  измерени  дили Лдобиваютс , чтобы пучности периодического сигнала фототока совпадали при каком-то определенном

рассто нии hi между параллельными лучами .

Тогда m , где 0- угол падени г (12).

0

При параллельном перемещении одного из лазерных лучей достигают следующего совпадени  пучностей периодических сигналов фототока..

Н2

При этом (т + 1) Л

Отсюда получают д .

cos &

(13)

20

25

30

35

40

Пример. Устройство дл  осуществле- 15 ни  способа состоит из лазера 1, луч которого с помощью зеркала 2 направл етс  на сканер-расщепитель 3. Лазерный луч расщепл етс  на два луча J и Л2, которые направл ют в измерительный сосуд 4, который гидростатически св зан с нагнетательным сосудом 5. Поршень 6 служит дл  регулировки высоты жидкости 7. в измерительном сосуде 4. Над поверхностью жидкости расположено прозрачное дл  лазерного излучени  тело, например призма 8.

На пути прошедших границу раздела лучей Л-i и Л2 установлены фотоприемники 9 и 10, сигналы с которых подаютс  на двух- лучевой запоминающий осциллограф 11.

Зазор между плоской поверхностью призмы 8 и поверхностью жидкости 7 выбирают пор дка, длины волны используемого излучени . Дл  этого используют систему сообщающихс  сосудов 4 и 5. Один сосуд  вл етс  измерительным, а другой нагнетательным . В сообщающихс  сосудах с помощью поршн  6 мен ют уровень жидкости и соответственно величину зазора. Мощность прошедшего света падает примерно в 100 раз с увеличением зазора на длину волны Я.

Так как минимальна  величина света, регистрируема  фотоумножител ми, составл ет величину пор дка 10 Вт, можно показать, что зазор может составл ть довольно значительную величину. Так, если использовать He-Ne лазер с выходной мощностью Вт, то при зазоре 8 Я, т.е. 4,8 мкм величина прошедшего света составл ет величину 10 Вт. Использование метода счета фотонов позвол ет проводить измерение поверхностных волн. Это также упрощает возбуждение поверхностной волны . При этом возбуждение производ т либо механически (например, бросанием небольшого предмета), либо бесконтактным способом с помощью мощного лазерного излучени .

45

50

55

Таким образом, мен   с помощью поршн  уровень в измерительном сосуде 4, получают необходимую величину прошедшей мощности лазерного света.

Оптическа  система состоит из лазера 1, например He-Ne с выходной мощностью излучени  10-50 мВт. С помощью расщепител  3 получают два параллельных луча. Системой объективов лучи фокусируютс  на поверхности исследуемой жидкости. Диа- метр лазерных лучей должен быть много меньше длины волны исследуемых поверхностных волн. Оба луча направл ютс  к поверхности под углом превышающим угол полного внутреннего отражени , определи- емый условием

n sin0 1.

В качестве другой поверхности раздела используетс  плоска  поверхность тела, прозрачного в спектральном диапазоне ис- пользуемого излучени ,

В качестве фотоприемников дл  регистрации излучени , прошедшего границу раздела фаз, используют фотоумножитель, например, ФЭУ-28 или ФЭУ-79 в каждом регистрирующем канале (луче). Сигналы с фотоумножител  поступают на запоминающий двухлучевой осциллограф типа С-14.

Измерение производ т следующим образом . В систему сообщающихс  сосудов заливают исследуемую жидкость. Лазерный луч, расщепленный на два луча, направл ют на поверхность жидкости снизу или на поверхность стекл нной призмы сверху под углом, превышающим угол полного внутрек- него отражени . Затем включают ФЭУ и осциллограф . С помощью поршн  устанавливают уровень жидкости в измерительном сосуде по достижении необходимого уровн  сигнала на осциллографе. Затем с помощью системы возбуждени  поверхностной волны получают бегущую поверхностную волну. Излучение, прошедшее границу раздела фаз при по влении волньцмодули- ровано по амплитуде. С помощью расщепи- тел  сканируют один лазерный луч относительно другого дл  получени  ближайших синхронных сигналов на экране осциллографа . З.атем измер ют частоту, амплитуду сигнала и рассто ние между па- раллельными лучами. Использу  формулы (4). (5), (13). определ ют в зкость, волновое число и поверхностное (межфазное) нат жение .

Изучение периодических колебаний возбужденной поверхностной волны дает более точное определение поверхностных свойств границ раздела в отличие от измерени  этих же свойств при регистрации рассе нного лазерного излучени  от поверхностных тепловых волн, так как последние представл ют собой набор волновых движений с различными волновыми числами и случайными амплитудами.

Claims (3)

1. Формула изобретени  1. Способ одновременного определени  межфазного нат жени  и в зкости жидкостей , включающий направление лазерного луча на границу раздела двух фаз, его расщепление на два луча и фокусирование их на границу раздела и детектирование отраженных от нее лучей, отличаю щ и й- с и тем, что, с целью упрощени  и повышени  точности определени , отраженные от границы раздела лучи пропускают через прозрачное дл  лазерного излучени  тело с плоской поверхностью, параллельной границе раздела фаз и расположенной от нее на рассто нии не более длины волны лазерного излучени , причем показатель преломлени  прозрачного тела превышает показатель преломлени  фазы, в которой оно расположено, расщепленные лучи направл ют к границе раздела фаз под углом большим угла полного внутреннего отражений , на границе раздела фаз возбуждают бегущие поверхностные волны с амплитудой , меньшей рассто ни  между плоской поверхностью прозрачного тела и границей раздела фаз, измен ют рассто ние между расщепленными лучами и определ ют минимальное изменение рассто ни  между ними, при котором достигаетс  синхронное совпадение детектируемых сигналов, по сигналам определ ют период Т, круговую

   о ,

   частоту ft) -у-,коэффициент затухани  у и

   дь

   длину волны А

   COS0

   ,а коэффициент поверхностного межфазного нат жени  о и в зкость v жидкости вычисл ют по формулам

   -У92

   v

   )

   q3 2 О

   гдер- плотность жидкости;

   q -у- - волновое число;

   g - ускорение свободного падени .
2. 2; Устройство дл  одновременного определени  межфазного нат жени  и в зкости жидкостей , содержащее лазер, фокусирующую оптическую систему, расщепитель лазерного луча и сосуд дл  жидкости, расположенные по оси лазерного луча, фотоприемники дл  регистрации лазерных лучей, отраженных от границы раздела фаз жидкости в сосуде, и электронную систему дл  обработки сигналов с фотоприемников, отличающеес 

   тем, что оно снабжено расположенным в верхней части сосуда прозрачным дл  лазерного излучени  телом с плоской поверхностью , параллельной дну сосуда, приспособлением дл  регулировани  уровн  жидкости в сосуде, причем сосуд дл  жидкости снабжен генератором бегущих поверхностных волн на границе раздела фаз, расщепитель лазерного луча выполнен в виде сканера, состо щего из полупрозрачного и полностью отражающего зеркала.

   размещенных параллельно друг другу с возможностью регулировани  рассто ни  между ними, электронна  система дл  обработки сигналов снабжена логарифми- ческим усилителем, вход которого соединен с выходами фотоприемников.
3. 3. Устройство по п-2, отличаю щ е е- с   тем, что в качестве прозрачного дл  лазерного излучени  тела используют призму .

   Г

   Фиг. 1

   Щи г. 2

   Д

   Фиг.Ъ