Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ ПУТЕМ СРАВНИТЕЛЬНОГО АНАЛИЗА

Изобретение относится к области поверхностных явлений в жидкости и может использоваться в измерительной технике для определения коэффициента поверхностного натяжения исследуемой жидкости путем сравнительного анализа с коэффициентом поверхностного натяжения близкой по химическому составу эталонной жидкости.

Известен способ определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости [1], заключающийся в формировании на горизонтальном верхнем срезе капилляра капли исследуемой жидкости со сферической поверхностью за счет подачи в сосуд с исследуемой жидкостью избыточного давления газа Ρ_И и измерении высоты а сформированной капли исследуемой жидкости с целью определения радиуса кривизны R сферической поверхности сформированной капли исследуемой жидкости, причем величину избыточного давления газа Р_И контролируют во время подачи в сосуд с исследуемой жидкостью, а затем замеряют в момент сформирования капли исследуемой жидкости со сферической поверхностью на горизонтальном верхнем срезе капилляра, соответствующий состоянию равновесия между замеряемой величиной избыточного давления газа Р_И и суммой давления Лапласа Р_Л сферической поверхности сформированной капли исследуемой жидкости и гидростатического давления Р_Г столба исследуемой жидкости в капилляре, высоту сформированной капли а исследуемой жидкости измеряют над горизонтальным верхним срезом капилляра, а коэффициент поверхностного натяжения σ капли исследуемой жидкости определяют по радиусу кривизны R сферической поверхности сформированной капли исследуемой жидкости и величине давления Лапласа Р_Л сферической поверхности сформированной капли исследуемой жидкости равной разнице между избыточным контролируемым давлением газа Р_И газа и гидростатическим давлением Р_Г столба исследуемой жидкости в капилляре с использованием следующей формулы:

где k - коэффициент, являющийся постоянной прибора, который определяется по измерению величины эталонной жидкости с известным коэффициентом поверхностного натяжения;

Р_Л - давление Лапласа, Па;

Ρ_И - избыточное давление газа, подаваемое в сосуд с исследуемой жидкостью, Па;

Р_Г - гидростатическое давление столба исследуемой жидкости в капилляре, Па;

R - радиус кривизны сферической поверхности сформированной капли жидкости, м;

- высота сформированной капли, м;

r - внешний радиус капилляра, м.

Основным недостатком данного способа является значительные временные затраты и сложность выполнения сравнительного анализа коэффициента поверхностного натяжения σ_исп исследуемой жидкости со значением коэффициента поверхностного натяжения σ_эт близкой по химическому составу эталонной жидкости при проведении экспресс исследований в условиях производства.

Цель изобретения состоит в устранении недостатков известного способа путём упрощения процедуры выполнения сравнительного анализа коэффициента поверхностного натяжения исследуемой жидкости со значением коэффициента поверхностного натяжения близкой по химическому составу эталонной жидкости при одновременном снижении временных затрат на проведение экспресс анализа при сохранении высокой степени точности получаемых результатов.

Сущность изобретения заключается в следующем. Для определения значения коэффициента поверхностного натяжения исследуемой жидкости путем сравнительного анализа со значением коэффициента поверхностного натяжения капли близкой по химическому составу эталонной жидкости используют разницу b между измеренными высотами сформированных капель эталонной и исследуемой жидкости над горизонтальным верхним срезом капилляра при одинаковых значениях величины избыточного давления газа Р_и в сосудах с эталонной и исследуемой жидкостью.

Решение поставленной задачи достигается путем реализации нового способа определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости путем сравнительного анализа. Графический материал, поясняющий сущность предлагаемого способа, представлен на следующих фигурах:

фиг. 1 - схема устройства для определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости путем сравнительного анализа;

фиг. 2 - схема формирования капель эталонной и исследуемой жидкости со сферическими поверхностями на горизонтальных верхних срезах капилляров, случай, когда высота капли эталонной жидкости превышает высоту капли исследуемой жидкости: - высота сформированной капли эталонной жидкости; - высота сформированной капли исследуемой жидкости; - радиус кривизны сферической поверхности сформированной капли эталонной жидкости; - радиус кривизны сферической поверхности сформированной капли исследуемой жидкости; r - внешний радиус капилляра; h - высота подъема эталонной и исследуемой жидкости в капилляре.

фиг. 3 - то же, случай, когда высота капли эталонной жидкости ниже высоты капли исследуемой жидкости.

Устройство для определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости путем сравнительного анализа (фиг. 1) состоит из набора одинаковых по форме и равных по объему сосудов 1 и 2 установленных на одном уровне и плотно закрытых пробками 3 со вставленными вертикально на одном уровне капиллярами 4 одинаковой высоты с одинаковыми внешними и внутренними радиусами. Сосуды 1 и 2 через боковые отводы 5 соединены с микрокомпрессором 6. На боковых отводах 5 установлены вентили точной регулировки с манометрами 7 и 8. Также устройство для определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости путем сравнительного анализа снабжено инструментом видеоконтроля 9.

Эталонная жидкость 10 объема V с известным значением коэффициента поверхностного натяжения заливается в сосуд 1, а исследуемая жидкость 11 точно такова же объема V с неизвестным коэффициентом поверхностного натяжения σ_исл заливается в сосуд 2 таким образом, чтобы нижний срез 12 капилляров 4 были погружены соответственно в жидкости 10 и 11 (фиг. 1, 2, 3). Причем капилляры 4 устанавливают в сосуды 1 и 2 таким образом, чтобы верхний срез 13 капилляров 4 располагался на одной горизонтальной прямой (фиг. 1, 2, 3).

С целью определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости путем сравнительного анализа формируют каплю 14 эталонной жидкости 10 и каплю 15 близкой по химическому составу исследуемой жидкости 11 со сферическими поверхностями на горизонтальном верхнем срезе 13 капилляров 4 (фиг. 2, 3). Для этого в сосуд 1 с эталонной жидкостью 10 и в сосуд 2 с исследуемой жидкостью 11 через боковые отводы 5 при помощи микрокомпрессора 6 подают избыточное давление газа Р_И (фиг. 1). Величину избыточного давления газа Р_И контролируют во время подачи в сосуд 1 с эталонной жидкостью 10 и в сосуд 2 с исследуемой жидкостью 11 при помощи вентилей точной регулировки с манометрами 7 (фиг. 1). Избыточное контролируемое давления газа Р_И оказывает воздействие на поверхностный слой эталонной жидкости 10 и исследуемой жидкости 11, заставляя их подниматься по вертикально вставленным капиллярам 4 до формирования капель 14 и 15 со сферическими поверхностями на горизонтальном верхнем срезе 13 капилляров 4 (фиг. 2, 3). В момент сформирования капли 14 эталонной жидкости 10 со сферической поверхностью на горизонтальном верхнем срезе 13 капилляра 4 замеряют величину избыточного давления газа с помощью манометра вентиля 7 точной регулировки, вентиль 7 закрывают и подачу газа в сосуд 1 прекращают (фиг. 1). Установив в сосуде 2 с исследуемой жидкостью 11 с помощью манометра вентиля 8 точной регулировки значение величины избыточного давления газа соответствующее значению величины избыточного давления газа в сосуде 1, т.е. значения величины избыточного давления газа РИ в сосудах с эталонной и исследуемой жидкостями должны быть одинаковы

вентиль 8 закрывают и подачу газа в сосуд 2 прекращают (фиг. 1).

Известно [1], что давление Лапласа Р_Л капли жидкости со сферической поверхностью равно разнице между избыточным контролируемым давлением газа Ρ_И и гидростатическим давлением Р_г столба жидкости в капилляре:

где Р_Л - давление Лапласа, Па;

Ρ_И - избыточное давление газа, подаваемое в сосуд с жидкостью, Па;

Ρ_Г - гидростатическое давление столба жидкости в капилляре, Па;

ρ - плотность жидкости, кг/м³;

g - ускорение свободного падения, м/с²;

h - высота подъема жидкости в капилляре, м (фиг. 2, 3).

Так как эталонная 10 и исследуемая 11 жидкость близки по химическому составу, то в первом приближении можно считать плотности эталонной жидкости и исследуемой жидкости равными друг другу, т.е.

где ρ_эт - плотность эталонной жидкости 10, кг/м³;

- плотность исследуемой жидкости 11, кг/м³.

С другой стороны реализация предлагаемого способа обеспечивает и одинаковые высоты подъема эталонной жидкости 10 и исследуемой жидкости 11 в капиллярах 4 (фиг. 2, 3), т.е.

где - высота подъема эталонной жидкости 10 в капилляре 4 (фиг. 2, 3), м;

- высота подъема исследуемой жидкости 11 в капилляре 4 (фиг. 2, 3), м.

Следовательно, выражение (3), используя формулы (2), (4) и (5), можно записать в следующем виде:

или

где - давление Лапласа капли эталонной жидкости 10 со сферической поверхностью, Па;

- давление Лапласа капли исследуемой жидкости 11 со сферической поверхностью, Па.

В качестве газа, подаваемого в сосуды 1 и 2 с эталонной и исследуемой жидкостями 10 и 11 через боковые отводы 5 при помощи микрокомпрессора 6 (фиг. 1), может применяться воздух, инертные и другие газы в зависимости от рода эталонной и исследуемой жидкостей 10 и 11.

С помощью инструмента видеоконтроля 9 (фиг. 1) над горизонтальным верхним срезом 13 капилляров 4 измеряют высоту σ_эт сформированной капли 14 эталонной жидкости 10 и высоту σ_исл капли 15 исследуемой жидкости 11 со сферическими поверхностями (фиг. 2, 3) для определения разницы высот Ъ сформированной капли 14 эталонной жидкости 10 и капли 15 исследуемой жидкости 11, применив следующее выражение:

где b - разница высот сформированной капли 14 эталонной жидкости 10 и капли 15 исследуемой жидкости 11, м (фиг. 2, 3); - высота сформированной капли 14 эталонной жидкости 10, м (фиг. 2, 3);

- высота сформированной капли 15 исследуемой жидкости 11, м (фиг. 2, 3).

Высота а капли жидкости 8 со сферической поверхностью (фиг. 2, 3) позволяет определить радиус кривизны R сферических поверхностей сформированных капель 14 и 15 эталонной 10 и исследуемой 11 жидкостей, используя следующее выражение [1]:

где R - радиус кривизны сферической поверхности сформированной капли жидкости, м (фиг. 2, 3);

- высота капли, м (фиг. 2, 3);

r - внешний радиус капилляра, м (фиг. 2, 3).

Анализируя формулу (8) и учитывая, что внешние радиусы г капилляров 4 равны друг другу, а так же используя выражение (7), можно заключить следующее:

где - радиус кривизны сферической поверхности сформированной капли 15 исследуемой жидкости 11, м (фиг. 2, 3);

- радиус кривизны сферической поверхности сформированной капли 14 эталонной жидкости 10, м (фиг. 2, 3);

b - разница высот сформированной капли 14 эталонной жидкости 10 и капли 15 исследуемой жидкости 11, м (фиг. 2, 3). Используя выражение (1), запишем формулу для определения коэффициента поверхностного натяжения σ капли исследуемой жидкости 11:

Представим выражение (10), используя формулу (9), в следующем виде:

Раскрыв скобки в выражении (11) и применив повторно формулу (1), мы получим выражение для определения коэффициента поверхностного натяжения капли 15 исследуемой жидкости 11 путем сравнительного анализа с коэффициентом поверхностного натяжения σ_эт капли 14 близкой по химическому составу эталонной 10 жидкости:

где - коэффициент поверхностного натяжения капли 15 исследуемой жидкости 11, Н/ м;

k - постоянная прибора, определяемая измерениями величины σ жидкости с известным коэффициентом поверхностного натяжения;

- давление Лапласа капли эталонной жидкости 10 со сферической поверхностью, Па;

- радиус кривизны сферической поверхности сформированной капли 14 эталонной жидкости 10, м (фиг. 2, 3);

b - разница высот сформированной капли 14 эталонной жидкости 10 и капли 15 исследуемой жидкости 11, м (фиг. 2, 3);

- коэффициент поверхностного натяжения капли 14 эталонной жидкости 10, Н/м;

- разница между значениями коэффициентов поверхностного натяжения капли 14 эталонной жидкости 10 и капли 15 исследуемой жидкости 11, Н/м.

Так как величина к, являющейся постоянной прибора, и значение давления Лапласа капли эталонной жидкости 10 является так же величиной постоянной для серии измерений с использованием одной и той же эталонной жидкости, то для удобства вычисления разницы между значениями коэффициентов поверхностного натяжения капли 14 эталонной жидкости 10 и капли 15 исследуемой жидкости 11 целесообразно использовать следующую формулу:

где - коэффициент измерения, являющейся постоянной величиной для серии измерений с использованием одной и той же эталонной жидкости, Па;

b - разница высот сформированной капли 14 эталонной жидкости 10 и капли 15 исследуемой жидкости 11, м (фиг. 2, 3). Величина согласно выражениям (7) и (13) может принимать как положительные, так и отрицательные значения. Знак плюс будет означать, что коэффициент поверхностного натяжения образца исследуемой жидкости меньше значения коэффициента поверхностного натяжения эталонной жидкости (фиг. 2), знак минус - больше (фиг. 3).

В условиях производства, когда заданы допускаемые отклонения коэффициента поверхностного натяжения капли 15 исследуемой жидкости 11 от эталона (номинала) отпадет необходимость вычислений. Для этого необходимо задать допускаемую разницу высот [b] сформированной капли 14 эталонной жидкости 10 и капли 15 исследуемой жидкости 11 (фиг. 2, 3):

где [b] - допускаемая разница высот сформированной капли 14 эталонной жидкости 10 и капли 15 исследуемой жидкости 11, м (фиг. 2, 3);

- допускаемое отклонение коэффициентов поверхностного натяжения капли 15 исследуемой жидкости 11 от капли 14 эталонной жидкости 10, Н/м;

N - коэффициент измерения, являющейся постоянной величиной для серии измерений с использованием одной и той же эталонной жидкости, Па.

Предлагаемый способ позволяет простым измерением разницы высот сформированной капли 14 эталонной жидкости 10 и капли 15 исследуемой жидкости 11 (фиг. 2, 3) определить превышение или недостаточность значения коэффициента поверхностного натяжения капли 15 исследуемой жидкости 11 по сравнению с эталонной жидкостью 10. Данный подход при расчете коэффициента поверхностного натяжения жидкости σ, несомненно, позволит значительным образом снизить трудоемкость и повысить оперативность с достаточной точностью вычисления коэффициента поверхностного натяжения исследуемой жидкости.

Источники информации

1. Пат. РФ 2711148, МПК⁷ G01N 13/02. Способ определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости / В.А. Севрюгин (РФ), О.Г. Введенский (РФ), А.П. Микутов, Н.В. Каширин (РФ). - №2018145419/20; Заявлено 19.12.2018; Опубл. 15.01.2020, Бюл. №2. - 11 с.