УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СПОСОБ КОНТРОЛЯ СТРУКТУРЫ ДИСПЕРСНЫХ СРЕД

Изобретение относится к неразрушающему способу определения структуры дисперсных сред и может быть использовано во многих отраслях промышленности: фармацевтической, косметической, пищевой, химической, космической, при определении качества строительных материалов, для контроля взрывчатых веществ, т.е. во всех средах, где используется гетерогенно-дисперсный материал.

Структура дисперсных сред определяется пространственным расположением взаимопроникающих континуумов дисперсной (несущей) и диспергированной (частицы) фаз [1]. Известны различные способы определения структуры дисперсных сред: оптическая микроскопия, ультразвуковая дефектоскопия, лазерная, электронная микроскопия [2-5].

Известен способ определения концентрации растворов [6]. Сущность его в том, что вначале устанавливается с помощью дефектоскопа скорость распространения ультразвуковых волн (УЗВ) в среде, в которой происходит растворение, определяют расстояние между излучателем и отражателем, затем помещают измерительный блок в исследуемую систему, определяют путь прошедшего сигнала и по известной формуле определяют концентрацию растворенного вещества. Основным недостатком является низкая точность измерения, т.к. настройка измерительного блока в среде, в которой происходит растворение, затем его перенос в исследуемую систему неизбежно связан с расстраивающими процессами.

Известен способ ультразвукового контроля молекулярно-массового распределения полимера в растворе [7]. Сущность его заключается в том, что выполняют: заполнение измерительной камеры раствором полимера, излучение импульсов, прием импульсов, прошедших образец, расчет скорости распространения и коэффициента затухания ультразвука, при этом импульсы излучают с различной частотой, и на основе массива коэффициентов затухания и скоростей распространения УЗВ рассчитывают функцию молекулярно-массового распределения полимера в растворе по определенному математическому выражению. К основным недостаткам следует отнести необходимость стабильности исследуемой системы в течение всего длительного времени измерения для набора массива коэффициентов затухания и скоростей - большая времяемкость.

Известен ультразвуковой способ контроля концентрации магнитных суспензий [8], который является наиболее близким по совокупности признаков, принятый в качестве прототипа. Для реализации этого способа возбуждают с помощью пьезодатчика в тонкой пластинке волну Лэмба (продольную волну), измеряют амплитуды эхо-сигналов с выбранной цикличностью, погружают пластину с пьезодатчиком в измерительный сосуд с контролируемой суспензией, включают измерение временного интервала, измеряют и запоминают численные значения амплитуды каждого n-го сигнала в момент времени Т, сравнивают значение амплитуды n-го эхо-сигнала с ближайшими амплитудами, рассчитывают момент времени Т, когда относительные изменения амплитуд эхо-сигналов при изменении времени не будут превышать некоторую выбранную величину, и по градуировке, которую проводят заранее на суспензиях с известными концентрациями магнитных частиц, судят о концентрации исследуемой суспензии.

Недостатками известного способа являются длительность процесса контроля и его сложность за счет большой времяемкости, связанной с процессами погружения пластинки и предварительных градуировок, что делает его в целом трудоемким, недостаточно точным и достоверным, а также ограниченным в применении, поскольку он используется только для магнитных жидкостей.

Заявленное изобретение лишено этих недостатков. Техническим результатом заявленного изобретения является повышение оперативности определения структуры дисперсных сред, достоверности, снижение трудоемкости и затрат на проведение измерений, а также применение способа к широкому классу дисперсных систем (взвесям, эмульсиям, газовым пузырькам в жидкости).

Указанный технический результат достигается тем, что в заявленном изобретении в отличие от прототипа соосные и параллельные друг другу пьезодатчики помещают непосредственно в камеру с исследуемой системой на любую технически требуемую глубину, с помощью излучаемого пьезодатчика облучают дисперсную среду продольной УЗВ с частотой, при которой длина волны λ больше размеров частиц R, измеряют (фиксируют) амплитуды импульсов А_n в разные моменты времени t_n, прошедших через исследуемую дисперсную систему с помощью приемного пьезодатчика, сравнивают с уровнем (величиной) импульса А₀, прошедшего через дисперсную среду (жидкость без частиц), определяют разность А₀-А_n величин импульсов с помощью осциллографа или анализатора импульсов в разные моменты времени t_n, определяемые таймером, и по ней судят о структуре дисперсной системы: в интервале времени Δt при флюктуации амплитуд δХ=|А₀-А_n|/А₀ больше 10% частицы неравномерно распределены в дисперсной фазе, в интервале времени Δt при флюктуации амплитуд δХ=|А₀-А_n|/А₀ порядка и меньше 10% частицы равномерно-хаотично распределены в дисперсной среде, в интервале времени Δt при нулевой флюктуации амплитуд δХ=|А₀-А_n|/А₀=const структура дисперсных сред становится гомогенной, частицы растворяются в дисперсной среде.

Сущность заявленного изобретения поясняется иллюстрациями, представленными на Фиг. 1 - Фиг. 5.

На Фиг. 1 представлена блок-схема, на которой в лабораторных условиях Санкт-Петербургского государственного университета проводились в режиме реального времени исследования и апробация заявленного способа.

На Фиг. 2 представлена динамика изменения A₀-A_n/L=α_вз во взвеси частиц желатина при Т=30°С.

На Фиг. 3 представлена динамика изменения A₀-A_n/L=α_вз во взвеси частиц лактозы при Т=15°С.

На Фиг. 4 представлено время существования взвеси желатина (сплошные диаграммы) и лактозы (незаштрихованные диаграммы) от температуры дисперсной среды.

На Фиг. 5 представлены структуры взвесей лактозы при разных временах перемешивания.

Заявленное изобретение поясняется представленной на Фиг. 1 блок-схемой экспериментальной установки, которая содержит термостатированную акустическую ячейку 1, пьезодатчики 2 и 3, генератор ультразвуковых волн 4, приемник ультразвуковых волн 5, аттенюатор 6, осциллограф 7, анализатор импульсов 8, таймер 9, термостат 10, термометр 11 и мешалку 12.

В процессе испытаний заявленного способа измерение амплитуд и их сравнение проводились следующим образом.

Вначале в кювету (акустическую ячейку), заполненную дисперсной фазой, опускались пьезодатчики. Приемный пьезодатчик помещался на определенном расстоянии от излучающего пьезодатчика. Их плоскости устанавливались параллельно друг другу, и на экране осциллографа фиксировалась амплитуда первого прошедшего импульса, при этом отмечалось показание аттенюатора. При перемещении приемного пьезодатчика на фиксированные расстояния от излучающего пьезодатчика прошедшие импульсы, вследствие поглощения в исследуемой среде, уменьшались на некоторую величину. При помощи аттенюатора добивалась прежняя величина импульса на экране осциллографа. По градуировочной кривой аттенюатора находились логарифмические значения величин импульсов А_n, прошедших через исследуемую дисперсную систему, соответствующие показаниям давления p акустической волны. Затем строился график, по оси абсцисс которого откладывались расстояния, пройденные ультразвуковым импульсом в исследуемой среде, а по оси ординат соответствующие логарифмические величины. Тангенс угла наклона полученной прямой давал коэффициент поглощения УЗВ в дисперсной (несущей) среде [2]:

Погрешность измерения коэффициента поглощения 5% определялась погрешностью градуировки аттенюатора, измерений высоты импульса на экране осциллографа, расстояний между пьезодатчиками.

При определении структуры дисперсной среды сначала фиксировалась величина импульса А₀, прошедшего через дисперсную фазу расстояние L от излучателя до приемника. Затем в дисперсную фазу вносились частицы (диспергированная фаза). Частицы распределялись в кювете путем перемешивания дисперсной системы (гетерогенной системы) лопастной мешалкой. В первоначальное время смешения дисперсной и диспергированной фаз наблюдались скачки акустических импульсов, обусловленные процессом неравномерного распределения частиц в пространстве акустической ячейки (см. Фиг. 5). Фиксировались величины импульсов А_n, прошедших через взвесь расстояния L в соответствующие моменты времени t_n. Определялась разность амплитуд А₀-А_n. Вычислялась флуктуация амплитуд δХ=A₀-A_n/A₀. С увеличением времени перемешивания возникало относительно-равномерное распределение частиц в кювете (см. Фиг. 6). Флуктуация амплитуд импульсов уменьшалась, достигая величины порядка 10% и меньше, после чего проводилось измерение коэффициента поглощения УЗВ во взвесях α_вз. Колебания значений коэффициентов поглощения α_вз связаны с флуктуацией числа частиц в прожекторном луче УЗВ, что характерно при измерениях во взаимопроникающих дисперсно-гетерогенных континуумах [1]. Температура изменялась или поддерживалась постоянной в экспериментальной кювете с помощью термостата. Точность измерения температуры 0,1°С. Максимальная скорость изменения температуры 1°С в минуту. Время каждого измерения фиксировалось таймером.

Теория микронеоднородных сред объясняет уменьшение акустической энергии ультразвука в дисперсных системах, возбуждением в дисперсной среде диспергированной фазой рассеянных, тепловых и вязких волн. Для коэффициента поглощения УЗВ, распространяющихся в дисперсных средах при малых концентрациях частиц (до 10%) и отсутствия взаимодействия между частицами получены следующие выражения [2]: α_вз=α₀+Δα, где α₀ - коэффициент поглощения в дисперсной фазе, Δα - дополнительное ослабление УЗВ, связанное с возбуждением вторичных волн на частицах: рассеянных α_S, тепловых α_T, вязких α_η волн.

где ρ₁, ρ₂ - плотности дисперсной и диспергированной фаз соответственно, η₁, η₂ - вязкости; β₁, β₂ - сжимаемости; ε₁, ε₂ - коэффициенты теплового расширения; χ₁, χ₂ - теплопроводности; Cp₁, Ср₂ - теплоемкости при постоянном давлении; N, R - концентрация, размер частиц; ω - частота; Т - температура; p - давление; с - скорость звука.

Приведенные выражения позволяют сделать вывод, что динамика Δα зависит от динамики физических величин R, η, c, ρ, С_р, входящих в формулу (2-4).

На Фиг. 2 приведена динамика α_вз во взвеси желатина при температуре 30°С. Зависимость α_вз=ƒ(t) объясняется тем, что в первоначальные моменты времени флуктуация сигнала δХ велика, что делает невозможным измерение коэффициента поглощения. По мере увеличения времени перемешивания, флуктуация сигналов уменьшается, достигая значения порядка 10%, становится возможным измерение коэффициента поглощения. При 30°С происходит процесс неограниченного растворения желатина и через 40 минут взвесь желатина становится гомогенной системой.

На Фиг. 3 приведена зависимость α_вз от времени во взвесях частиц лактозы при температуре 15°С. Как видно из графика, динамика α_вз во взвесях лактозы подобна динамике α_вз взвеси желатина. Частицы лактозы при температуре 15°С и концентрации 3% неограниченно растворяются в воде. Изменение гетерогенной структуры взвеси лактозы связано с механизмом растворения частиц в воде.

На Фиг. 4 сплошными диаграммами приведены зависимости времени существования взвеси желатина от температуры дисперсной среды, определяемой по времени существования Δα>0, незаштрихованными диаграммами дана зависимость между "временем жизни" дисперсной системы частиц лактозы в воде от температуры дисперсной фазы. "Время жизни" взвеси лактозы, так же как и во взвесях желатина, определяется временем, при котором дополнительный коэффициент поглощения УЗВ во взвесях Δα>0.

Результаты апробации заявленного изобретения впервые выявили области характерных структур гетерогенно-дисперсной системы: хаотично-неравномерную, где флуктуация δХ>0,1, хаотично-равномерную, где δХ<0,1 и переход гетерогенной структуры в гомогенную, где δX=const.

Было показано, что параметр |A₀-A_n|/А₀ несет в себе информацию о кинетике протекании обменных процессов в дисперсных системах.

Результаты апробации представлены в виде конкретных примеров реализации, которые проводились на лабораторной базе Санкт-Петербургского государственного университета (СПбГУ) в режиме реального времени на основе многочисленных экспериментальных исследований ультразвукового способа контроля структуры взвеси частиц желатина.

Примеры конкретной реализации заявленного способа представлены в таблицах, которые составлены на основе полученных результатов экспериментальных исследований способа контроля структуры взвеси частиц желатина.

Пример

Первый этап: определяется коэффициент поглощения в дисперсной среде α₀. Данные приведены в таблице 1.

Кювета заполняется дисперсной фазой (вода), в которую опускаются излучающий и приемный пьезодатчики на определенном расстоянии L друг от друга, их плоскости устанавливаются параллельно друг другу. Включаем установку, измеряем амплитуду прошедшего импульса А₀. Перемещаем приемный пьезодатчик на расстояние от излучающего пьезодатчика, фиксируем при помощи аттенюатора значения амплитуд величин импульсов A₁.…А₉ на экране осциллографа, далее по градуировочной кривой аттенюатора находим логарифмические значения величин импульсов , строим график , тангенс угла наклона полученной прямой дает коэффициент поглощения α₀, что соответствует времени t₀.

Второй этап: определяем структуру взвеси при смешении дисперсной и диспергированной фаз.

После фиксации расстояния L между пьезодатчиками, включаем мешалку и вносим частицы желатина, объем которых составляет 3% вес. от дисперсной фазы. Фиксируем время внесения частиц в дисперсную фазу t₀. Измеряем зависимость величины прошедших импульсов A_n от времени. Определяем время больших флуктуаций δX=|A₀-A_n|/А₀>0,1. Данные приведены в таблице 2.

Увеличение времени перемешивания приводит к уменьшению флуктуаций амплитуд прошедших импульсов. Данные приведены в таблице 3.

Третий этап: определяем структуру взвеси при изменении температуры.

При уменьшении флуктуации, когда δX<0,1, становится возможным определять изменение структуры взвеси от процесса растворения частиц. Данные приведены в таблице 4 и представлены на Фиг. 2. Начинаем измерение коэффициента поглощения α_вз от времени t_n (n=1, 2, 3…) аналогично измерениям α₀.

Таким образом, определяется время существования хаотично-неравномерной структуры взвеси, время существования равномерно-хаотичной структуры взвеси и время перехода в гомогенную структуру раствора.

Заявленный ультразвуковой способ контроля дисперсных сред может быть применен в процессе микрокапсулирования в фармацевтической промышленности при капсулировании лекарственных препаратов, в противопожарной технологии при изготовлении огнетушащих, капсулированных материалов, например хладона 114, в 2. Достоинство заявленного способа состоит в том, что впервые предложен непосредственный контроль процесса растворения желатина-основного материала для создания оболочек микрокапсул. В настоящее время в процессе микрокапсулирования берется некоторое стандартное время, заведомо большее времени растворения желатина при конкретной температуре.

Применение ультразвукового способа контроля дисперсных сред непосредственно в технологическом процессе капсулирования позволит повысить производительность установок за счет сокращения времени. отводимого на этап растворения желатина. и приведет к удешевлению продукции на 15-20%.

Заявленный способ может успешно быть реализован в пищевой промышленности, особенно при выборе режима кристаллизации лактозы в сгущенных молочных и молокосодержащих продуктах. В настоящее время о динамике кристаллизации лактозы судят косвенно по плотности, коэффициенту динамической вязкости, коэффициенту однородности проб, отобранных в разные технологические этапы [9].

Применение ультразвукового способа контроля дисперсных сред непосредственно в технологическом процессе позволит сократить время получения оперативной, непосредственной информации о динамике кристаллизации лактозы и приведет к предположительному экономическому эффекту порядка 10-20%.

Источники информации

1. Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред. М: Наука. 1987.

2. Кольцова И.С. Распространение ультразвуковых волн в гетерогенных средах // СПб: СПбГУ. 2007. С. 245.

3. Курков А.В. Разработка методов и средств повышения информативности ультразвуковых измерений с помощью дефектоскопов общего назначения // Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. СПб. 2010.

4. Чуприн В.А. Разработка ультразвуковых приборов для диагностики состояния технологических жидкостей // Контроль. Диагностика. №10. 2011. с. 11-17.

5. Dukhin A.S., Goetz P.J. Ultrasound for characterizing colloids // Elsevier. 2002. P. 504.

6. Муратов Е.П., Марченко В.Г., Милешко В.А., Довбыш Е.В. // RU Патент 2324928. Опубл. 20.05.2008. Бюл. №14.

7. Битюков В.К., Хвостов А.А., Третьякова Н.Н. Способ ультразвукового контроля молекулярно-массового распределения полимера в растворе // RU 2475732 С1. Опубл. 20.02.2013. Бюл. №5.

8. Чуприн В.А., Чуприна Т.Ф. Ультразвуковой способ контроля концентрации магнитных суспензий // RU 2520166 С1. Опубл. 20.06.2014. Бюл.№17. (прототип)

9. Виноградова Ю.В. Температурный режим охлаждения консервированных молокосодержащих продуктов с сахаром и аппарат для его осуществления // Сб. статей. Вологда-Молочное: ИЦ ВГМХА. 2008. С. 123-126.