Устройство для измерения межфазного натяжения

 

1 . УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МЕЖФАЗНОГО НАТЯЖЕНИЯ, содержащее корпус с прозрачными окнами, в котором расположен держатель образца, связанный с системой его центровки и приводом вращения, и измеритель скорости вращения держателя, о т л , чающееся тем, что, с целью повышения точности измерений путем уменьшения уровня радиальных вибраИзобретение относится к технике измерения поверхностного натяжения на границе раздела фаз жидкость-газ или жидкость-жидкость, а частности оно может быть использовано для измерения низких и ультранизких значений межфазного поверхностного натяжения в диапазоне 10-10 мН/м при исследовании межфазных явлений в систе .мах-двух несмешивающихся жидкостей или жидкость-газ, при разработке по2 ций держателя, привод врацения выполнен пневматическим, причем держатель образца использован в качестве вала турбинки привада, а сопла привода вмонтированы в корпус. 2.Устройство по п.1, отличающее с я тем, что, с целью повышения точности измерений при малых скоростях вращения и расширения диапазона измерений, система центровки держателя выполнена в виде самоцентрипуЮ1чихся феррожидкостных подшипников , в которых закреплен держатель . 3.Устройство по п.2, отличающееся тем, что самоцентрирующиеся феррожидкостные подшипники выполнены в виде постоянных кольцевых магнитов, намагниченных перпендикулярно их плоскости, с ферромагнитной жидкостью, втянутой магнитным полем в зазоры между магнитом и держателем образца и корпусом, выполненными из немагнитных материалов. О ю о 4Ь 00 верхностно-активных составов, например увелииения нефтеотдачи плас тов, технических моющих препаратов, эмульгаторов, деэмульгаторов и т.д., а также для контроля технологических процессов получения поверхностно-активных веществ

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК и 9) (!!) (5!)5

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСКОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) (21) 3506992/25 (22) 22. 10. 82. (46) 23.10.92. Бюл. и 39 (72) B. Г. Гермашев, А. Ф. филатов, P.È. Áåñèöêèé, Е, Е, Биоик, Н.М. Грибанов, С. А.Домашенко и 9. И. Лысенко (53)532.64(088,8) (56) J.1..Caylав, R.S.Schehter and

W.Н.Wade, in Adsurpti«n at Jnterfaces, edited by К.L.ilitlal, A(;S Sympusium Series 8 (A.Ñ.S. Washingtun, Dc, 1975) Р.Р.234-247. патент СВА и 4250/41, кл. С 01 N 13/02, 1981 (54) {57) 1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗ1ЕРЕНИЯ

МЕЖФАЗНОГО НАТЯЖЕНИЯ, содержащее корпус с прозрачными окнами, в котором расположен держатель образца, связанный с системой его центровки и приводом вращения, и измеритель скорости вращения держа теля, о т л „ичающее.ся тем, что, сцелью повышения точности измерений путем уменьшения уровня радиальных вибра-

Изобретение относится к технике измерения поверхностного натяжения на границе раздела фаз жидкость-газ или жидкость-жидкость, в частности оно может быть использовано для измерения низких и ультранизких значений межфазного поверхностного натяжения в диапазоне 10 -10 мН/м при ис1 следовании межфазных явгений в системах двух несмешивающихся жидкостей или жидкость-газ, при разработке поций держателя, привод вращения выпол" нен пневматическим, причем держатель образца использован в качестве вала турбинки привода, а сопла привода вмонтированы в корпус.

2. Устройство по п.1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерений при малых скоростях вращения и расширения диапазона измерений, система центровки держателя выполнена в виде самоцентрирующихся феррожидкостных пои" шипников, в которых закреплен держатель.

3. Устройство по п.2, о т л ич а ю щ е е с я тем, что самоцентрирующиеся феррожидкостные подшипники выполнены в виде постоянных кольцевых магнитов, намагниченных перпендикулярно их плоскости, с ферромагнитной жидкостью, втянутой магнитным полем в зазоры между магнитом и держателем образца и корпусом, выполненными из немагнитных материалов. верхностно-активных составов, например для увеличения нефтеотдачи пластов, технических моющих препаратов, эмульгаторов, деэмульгаторов и т.д., а также для контроля технологических процессов получения пс верхностно-активных веществ (ПАВ) и препаратов на их основе.

Наиболее приемлемым для измерения низких и ультпаР:.Эких l3r 1Hv, н межфдзного натяжения является так называе1097048.».Ц1 метод вращающейся капли. 8 осно«в этого метода лежит явление деформ è« капли (пузырька) менее плотной из двух несмешивающихся фаэ, помещен- 5 ной в другой более плотной фазе, заполняющей вращающуюся вокруг продольной оси трубку-держатель образца (ДО), Деформация капли (пузырька) в таких условиях происходит вдоль оси враще- 10 ния ДО под действием разности центробежных сил, обусловленной разницей плотностей фаз. уравновешивающими являются капиллярные силы, обусловленные межфазным натяжением и кривизной поверхности капли (пузырька). Измеряя геометрические параметры формы деформированной капли при известной разности плотностей фаз и заданной скорости вращения ДО, по известным формулам можно вычислить величину межфазного натяжения.

Наиболее важным и необходимым элементом устройств для измерения межфазного натяжения указанным мотодом 25 является прозрачный для визуального наблюдения вращающийся ДО. Необходимыми условиями точного измерения параметров формы вращающейся капли (c помощью оптических средств.) и вычис- Зр ления межфазного натяжения являются низкий уровень радиальных и аксиальных вибраций вращающегося ДО, стабильность заданной скорости вращения и температуры ДО в промежутке времени установления равновесия капиллярных сил, сил деформации и времени измерения размеров капли.

Известно устройство для измерения межфазного натяжения методом вращающейся капли, содержащее стеклянную трубку (ДО), запаянную с одного конца, помещенную внутрь металлического вала, имеющего прорези для наблюдения за каплей, находящейся в месте с фа- 45 зой в ДО. Вал закреплен с помощью подшипников качения в металлическом корпусе, на котором намотаны электронагреватели для термостатирования внутри корпуса. На один конец вала на 5О винчивается гайка, с помощью которой

ДО. фиксируется внутри вала Д0..4ерез торцовое отверстие и мембрану исследуемая капля с помощью шприца с иглой вводится в ЛО. На другом конце вала жестко закреплен шкив, приводимый во вращательное движение с помощью непроскальзыо »сщс г.. приводного ремня другим шк»lot, к тк ) закрепленным на валу синхронного электродвигателя.

Электродвигатель и корпус с валом и

ДО закреплены на одном основании. Диапазон скоростей вращения электродвигателя составляет от 1206 до

24000 об/мин. Скорость вращения конт« ролируется с помощью частотомера., Геометрические размеры капли измеряются с помощью микроскопа через прорези вала. . К недостаткам устройства относит ся наличие радиальных вибраций от привода, ременной передачи и подшипников качения, на которых вращается

ДО с фазой и каплей. flop действием этих вибраций в системах (фаза-капля) с малой вязкостью на поверхности капли наблюдается рябь и нечеткость границ капли, искажающие. Результаты измерений. Из-за люфтов в подшипниках качения возникают аксиальные колебания ДО, которые также искажают резуль таты измерений. Разность плотностей исследуемых фаз, входящая в расчетные формулы.межфазного натяжения, зависит от температуры. Поэтому влияние тепла, выделяющегося от трения в подшипниках качения, также снижает точность измерений. Температура корпусов подшипников качения при стабильной работе на 5-10 С выше температуры окружающего ДО воздуха, поэтому получается неравномерный нагрев фазы, создающий циркуляционные потоки фазы, искажающие форму капли, изза чего размеры гюследней измеряются с малой точностью, а иногда их вообще невозможно измерить. В аналогах, имеющих металлический вал с прорезями, температура капли определяется весьма приблизительно, т.к.. наиболее достоверно температуру капли можно определить в граничном слое на стенке стеклянного ДО. Кроме этого, стробоскоп усложняет и удорожает устройство.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является устройство для измерения межфазного натяжения, содержащее корпус с прозрачными окнами, в котором расположен держатель образца, связанный с системой его центровки и приводом вращения, и измеритель скорости вращения держателя.

Система центровки выгюлнена в виде пористых втулок, с помощью которых вал привода вращения закреплен в кор7048 6

5 109 пусе. ДО закреплен на валу. Центровку вала при вращении осуществляют продувкой воздуха через пористые втулки, при этом исключаются аксиальные колебания вала с ДО. Вал приводят во вращение электродвигателем с ременной передачей.

К недостаткам устройства относятся низкая точность измерений из-за радиальных и аксиальных колебаний вала и ДО, передаваемых от привода вращения, а также обеспечение самоцентровки вала с ДО только при больших . скоростях вращения, что снижает точность измерений при низких скоростях вращений и ограничивает диапазон измерения величин межфазного натяжения.

Целью изобретения является повышение точности измерений путем уменьшения уровня радиальных вибраций держателя.

Цель достигается тем, что в предлагаемом устройстве для измерения межфазного натяжения, содержащем корпус с прозрачными окнами, в котором расположен держатель образца, связанный с системой его центровки и приводом вращения, и измеритель скорости вращения держателя, привод вращения выполнен пневматическим, причем держатель оораэца использован в качестве вала турбинки. привода, а сопла привода вмонтированы в корпус.

В целях повышения точности измерений при малых скоростях вращения и расширения диапазона измерений система центровки держателя выполнена в виде самоцентрирующихся феррожидкостных подшипников, в которых закреплен держатель. Феррожидкостные подшипники могут быть выполнены в виде постоянных кольцевых магнитов, намагниченных перпендикулярно их плоскости, с ферромагнитной жидкостью, втянутой магнитным полем в зазоры между магнитом и держателем образца и корпусом, выполненными из немагнитных материалов.

На фиг.1 изображено предлагаемое устройство, разрез; на фиг.Z приведена блок-схема устройства.

Устройство имеет основание 1, на. котором закреплены все элементы устройства. Гайка-модулятор 2, служащая элементом датчика скорости вращения и для уплотнения открытого конца ДО, навинчена на шейку турбинки 3 пневматического привода. Регулируемый, стабилизированный по давлению сжатый воздух подводится к турбинке с помощью сопл 4. Отбойная шайба 5 и фетровые сальники 6 предотвращают возможное разбрызгивание избытка ферромагнитной жидкости 7 центробежными силами при больших скоростях вращения держателя образца. ферромагнитная

10 жидкость 7 вместе с постоянными кольцевыми магнитами 8, намагниченными перпендикулярно плоскости кольца, образуют феррожидкостные подшипники, фиксируемые распорной втулкой,9 с

15 прорезями для наблюдения, за.каплей.

Держатель образца 10 представляет собой трубку из стекла (пирекос) или другого прозрачного материала со строго концентричными внутренней и внеш 0 .ней поверхностями. Один конец ДО заг" лушен, а на другом конце его с помощью клея, например, закреплена отбалансированная турбинка 3. Таким образом ДО одновременно выполняет роль

25 вала привода. Латунный корпус 11 име ет прозрачные окна для наблюдения за каплей, систему каналов для прокачки теплоагента от внешнего термостата, управляемого датчиком температуры, 30 расположенного в непосредственной близости от поверхности ДО (датчик расположен за плоскостью чертежа). В корпус 11 ввинчены сопла 4, он является и термостатируемым корпусом уст-,.

ЗБ ройства и корпусом привода, причем он сделан съемным, что упрощает его эксплуатацию. фторопластовая прокладка 12 служит в качестве уплотнения и опорного подшипника. В фланец 13 ввинче4р ны (с уплотнением) ниппеля 14, через которые производится подача и отвод теплоносителя, а также винт 1, заглушающий отверстие для периодической подпитки правого подшипника фер45 ромагнитной жидкостью и для установления необходимого давления в герметичной камере 16, служащей для подавления аксиальных колебаний (при смешении ДО влево в камере 16 повышается

50 вакуум, возвращающий ДО назад). Фетровый сальник 1j, прижимаемый шайбой

18, предотвращает попадание пыли в левый подшипник и разбрызгивание избытка ферромагнитной жидкости 7 чеrg реэ заправочные отверстия в отбойной шайбе 5, прижимной шайбе 7 и турбинке 3. Фотодатчик 19 выдает электри" ческие импульсы, пропорциональные скорости вращения ДО. Подвижная опо1097048 ра 20, выполнена в виде винта, служит для регулирования угла наклона между продольной осью ДО и горизонтальной плоскостью, а индикатором служит кап- 5 ля 21. Мембрана 22 предотвращает вытекание фазы из открытого конца ДО.

На кронштейне 23, жестко закрепленном на основании 1, фиксируется с помощью скользящих направляющих и стопорного винта (на фигурах не показаны) съемный корпус 11 (в сборе). При необходимости для уменьшения внутреннего объема ДО он может быть выполнен в виде системы коаксиальных трубок. В ... этом случае в держатель образца 10 помещается и фиксируется стеклянная трубка с меньшим внутренним объемом. ферромагнитная жидкость 7 втягивает-. ся в область наибольших градиентов Я напряженности магнитного поля, в данном случае в зазоры между магнитом 8 и ДО, а также между магнитом. и корпусом. Заполняя собой пространство зазора, ферромагнитная жидкость стремится вытеснить немагнитный ДО в область наименьших градиентов напряженности магнитного поля, т.е. к оси вращения. При небольшом весе ДО с турбинкой и малом кольцевом зазоре (0,1- 30

0,33 мм) ферритовые кольцевые магниты и ферромагнитная жидкость с намагни ченностью насыщения 2 104 — 1О А/м обеспечивают самоцентровку уже при скорости вращения ъ 100 об/мин. 35

Втягиваясь в микрозазор скользящей посадки между корпусом 11 и постоянным магнитом 8, ферромагнитная жидкость 7 герметизирует посадку постоянных магнитов. Таким образом, фер- 4О рожидкостные подшипники, герметиэируя зазоры корпус-постоянный магнит и постоянный магнит-держатель образца, являются составной частью камеры 16 гюдавления аксиальных колебаний ДО. 45

Диаметры отверстий шайб 5 и 18, а также сальников 6 и 17 немного больше внешнего диаметра ДО, что предотвращает торможение при вращении и локальный нагрев ДО., 50

Устройство работает следующим об- разом.

Капля одной из исследуемых фаз (менее плотной) вводится в предварительно заполненный ДО более плотной прозрачной средой с помощью шприца с иглой через отверстие в торце гайки модулятора 2, прокаливая мембрану 22.

Размеры капли определяются с помощью оптического микрометра, установленного на трехкоординатном столике, (на фигурах не показаны), закрепленном на основании 1:. Оптический микрометр отградуирован с точностью не менее

100 делений на 1 мм.

В устройство 24 от внешнего термостата 25, управляемого автоматическим потенциометром 26 (класс 0,25) с двухпоэиционным регулятором, подается теплоноситель. Датчик температуры (малоинерционная термопара), включенный на вход автоматического потенциометра 26, расположен в непосредственной близости от поверхности

ДО. Необходимая скорость вращения ДО устанавливается задатчиком давления

27. Скорость вращения ДО преобразуется фотопреобразователем 28 в пропорциональные ей электрические импульсы, которые подают на вход частотомера

29. Скорость вращения ДО в изготовленном макете устройства достигает (без заметных вибраций) 20 тыс. об/мин.;

Размер капли измеряется с помощью микроскопа 30.

Использование предлагаемого изобретения позволит существенно повысить точность определения межфаэного натяжения по методу деформации вращающейся капли, т.к. при тщательной балансировке турбинки практически гюлностью исключаются вибрации, неизбежные в аналогичных устройствах с гюдшипниками качения, электродвигателем и ременной передачей, которая не только передает вибрации от двигателя, но и сама является источником вибраций, а кроме того, расширяет диапазон использования устройства

3а счет обеспечения точного измерения межфазного натяжения при малых скоростях вращения.

109704S

Редактор Е. Гиринская Техред И.Моргентал Корректор Л.Лукач т

Заказ 4572

Тираж

Подписное

BfiHHIIH Государственного комитета но изобретениям и открытиям при ГК11Т СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Проиэводственно-издательский комбинат "Патент", г.ужгород, ул. Гагарина,101