Способ определения концентрации органических жидкостей в волокнистых материалах

 

Использование: в процессе определения концентрации органических жидкостей в волокнистых материалах. Сущность изобретения: тепловое воздействие на материал осуществляют адиабатически и регистрируют изменение температуры по времени. Вычисляют значение интеграла, определяют отношение , где I_o - значительное значение интеграла для концентрации, равной нулю, и ΔI приращение интеграла, и строят калибровочный график. Концентрацию органических жидкостей определяют по калибровочному графику зависимости от упомянутого отношения. 6 ил.

Предлагаемое изобретение относится к анализу материалов, содержащих органические жидкости (масло, жир, дизельное топливо и т.п.), и может быть использовано для определения концентрации последних.

Известен диэлектрический способ определения содержания жира или минерального масла в шерсти, искусственном волокне с использованием экстракции, заключающийся в экстрагировании жира из образца исследуемого материала и последующих измерениях на экстракте, основанных на различии величин диэлектрической проницаемости экстрагентов (эфира, тетрахлорметана) и жиров и применении калибровочных кривых (см. Надь Ш.Б. Диэлектрометрия. М. Энергия, 1976, с. 163).

Недостатками этого способа следующие: 1) нарушение целостности материала: необходимы образцы (пробы) исследуемого материала для проведения экстракции; 2) большие затраты времени, связанные с осуществлением операции экстракции; 3) малая точность из-за разброса результатов измерений в силу неопределенности значения конечной степени экстракции.

За прототип принят способ определения количества жира в маслосодержащем материале, предусматривающий экстрагирование жира из отобранной пробы маслосодержащего материала органическим растворителем, локализацию жира на капиллярно-пористом носителе, выпаривание экстрагента из экстракта при нагреве зоны локализации, измерение интенсивностей радиоактивного излучения, прошедшего через чистый носитель и носитель с локализованным жиром, установление величины разности измеренных интенсивностей, коррелирующей с количеством жира в маслосодержащемматериале, помимо этого осуществляют фиксацию в зоне нагрева отрезка капиллярно-пористого носителя, при этом пропитывание последнего при локализации жира проводят путем введения в емкость с экстрактом концов отрезка зафиксированного капиллярно-пористого носителя с обеспечением возможности их контакта с дном емкости, причем нагреву подвергают среднюю часть капиллярно-пористого носителя, представляющую собой зону локализации жира (см. а.с. СССР N 1605199, кл. G 01 N 33/03, 1990).

Недостатками данного способа являются: 1) нарушение целостности материала: необходимы образцы (пробы) исследуемого материала для проведения экстракции; 2) малая точность в силу неопределенности доли жира, оставшейся в емкости и в носителе; 3) повышенная стоимость из-за затрат на экстрагент, который испаряется в зоне нагревания.

Целью предполагаемого изобретения является сохранение целостности материала, повышение точности и экономичности измерения.

Поставленная цель достигается тем, что осуществляют активное тепловое воздействие на поверхность исследуемого материала и применяют калибровочную зависимость, при этом тепловое воздействие выполняют адиабатически, регистрируют изменение температуры поверхности от времени в месте приложения источника тепла, по которой вычисляют значение интеграла температуры поверхности по времени, а содержание органической жидкости в материале находят по калибровочной зависимости.

При анализе известных технических решений не обнаружены решения, имеющие признаки, сходные с отличительными признаками предполагаемого изобретения.

На основании проведенного анализа можно сделать вывод, что заявляемое техническое решение обладает существенными отличиями.

Наличие совокупности существенных признаков: адиабатическое воздействие на поверхность материала источником тепла, регистрация изменения температуры поверхности от времени в месте приложения источника тепла, вычисление значения интеграла температуры поверхности по времени, нахождение содержания органической жидкости в материале по калибровочной зависимости обеспечит сохранение целостности материала, повышение точности и экономичности измерения.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем. На поверхность материала, содержащего искомое количество органической жидкости, устанавливается измерительный зонд, в полости которого расположен линейный источник тепла, а термопары находятся на нижнем торце зонда. Последний плотно поджимается к поверхности исследуемого материала своим охранным (теплоизоляционным) кольцом. Благодаря этому сохраняется целостность исследуемого материала, а система "поверхность материала-зонд" теплоизолируется от окружающей среды, реализуя адиабатический режим нагрева.

Включается электрический источника тепла, и термопары, вмонтированные в измерительный зонд, замеряют температуру поверхности материала через заданные промежутки времени с последующей регистрацией ее вторичным прибором. На основании полученной зависимости температуры поверхности от времени вычисляют интеграл температуры поверхности по времени, а содержание органической жидкости в материале находят по калибровочной зависимости.

Содержание органических жидкостей в твердых материалах можно определить, исходя из результатов обработки экспериментальных термограмм избыточной температуры поверхности исследуемого материала, порожденной активным тепловым воздействием. Это можно обосновать следующими физическими соображениями.

Теплофизические свойства (ТФС) масел, нефтяных топлив и других органических жидкостей ощутимо отличаются от ТФС ряда твердых, в частности волокнистых материалов. Например, теплопроводность машинного масла (индустриальное 45) составляет λ 0,145 Вт/мК, масла МС-20 l 0,135 Вт/мК, бензина 0,19, керосина 0,12, тогда как теплопроводность шерсти l 0,04 Вт/мК, войлока 0,05, ткани шерстяной 0,052 и т.д.

Отсюда, если в волокнистом материале содержится какая-либо органическая жидкость, то ТФС его изменяются.

Определение ТФС твердых материалов без нарушения их целостности можно осуществить на основе обработки параметров экспериментальных термограмм, полученных при активном тепловом воздействии на поверхность исследуемого материала (см. например, а. с. N 1124209, кл. G 01 N 25/18, 1984; а.с. N 1749801, кл. C 01 N 25/00, 1992; а.с. N 1193555, кл. G 01 N 25/18, 1985). В связи с изложенным представляется возможным на основе тех же термограмм определить и концентрацию органических жидкостей, содержащихся в этих материалах.

В обоснование предлагаемого способа нами проведено 120 экспериментов на волокнистых материалах войлоке, асбесте, рипоре, картоне, пенопласте, минеральной вате, древесно-волокнистой плите ДВП, древесно-стружечной плите ДСП, содержащих различные концентрации какой-либо органической жидкости - машинного масла (индустриальное 45), дизельного топлива, растительного (подсолнечного) масла, антифриза.

Сущность экспериментов заключалась в следующем.

Образцы указанных материалов размерами 80 х 80 х 10 мм пропитывали в соответствующей органической жидкости в течение времени, необходимого для получения определенной ее концентрации. Последняя определялась весовым методом: образец взвешивали до и после пропитки на аналитических весах с точностью до 10^-3 г. Для получения экспериментальной термограммы на поверхность исследуемого образца устанавливался измерительный зонд, содержащий линейный источник тепла и термопары. Зонд позволял осуществить адиабатическое тепловое воздействие на поверхность исследуемого материала и измерить значения температуры этой поверхности во времени, что регистрировалось вторичным прибором.

При измерении сохранение целостности материала обеспечивалось тем, что линейный источник тепла располагался в полости измерительного зонда, а термопары находились на нижнем торце зонда; последний поджимался к поверхности исследуемого материала определенным усилием, сообщаемым грузом или пружиной. Адиабатическое воздействие теплового источника на поверхность исследуемого материала реализовалось посредством охранного (теплоизоляционного) кольца, которое окаймляло источник тепла, обеспечивая направленное движение теплового потока на поверхность исследуемого материала и препятствуя теплообмену в других направлениях.

Результаты опытов для трех из восьми исследуемых материалов (войлока, ДСП и пенопласта) и двух из четырех опробованных органических жидкостей (машинного масла и дизельного топлива) различной концентрации C мас. представлены в виде семейства термограмм T(τ) на фиг. 1^oC3. Термограммы являются обобщенными и построены на основании 5^oC6 термограмм, снятых для каждого сочетания материала и органической жидкости; температура дана в условных единицах.

Как видно из фиг. 1^oC3, термограммы для каждой концентрации С органической жидкости в волокнистом материале являются монотонными кривыми. Чем меньше величина С, тем больше значения температур, соответственно больше площадь, ограниченная кривой T(τ) и осью абсцисс τ. Для нулевой концентрации площадь, ометаемая термограммой, является максимальной.

Исходя из этого, в качестве параметра, чувствительного величине концентрации С, выбираем площадь экспериментальной термограммы, определяемую величиной интеграла температуры поверхности по времени: где τ_к конечное время записи термограммы, с.

Значение I рассчитаем способом численного интегрирования, например, по формуле прямоугольников: I=Δτ(T_o+T₁+T₂+ ... +T_к), (1)
где Δτ шаг интегрирования, , n число шагов по времени, T₀,T₁, T₂, T_k значения температур (ординат) при соответствующих моментах времени.

Для обобщения результатов опытов целесообразно перейти от аргумента J к безразмерной переменной. В качестве последней примем отношение

где I_o, I значения интеграла, вычисленные по формуле (1) соответственно для C=0 и C≠0.

Как отмечалось, I_o>I, поэтому значение всегда положительно. Графики зависимости приведены на фиг. 4^oC6 соответственно для войлока, ДСП и пенопласта; там же даны соответствующие аналитические выражения
Таким образом, для определения искомой концентрации органической жидкости достаточно снять экспериментальную термограмму, найти значение I по формуле (1), затем, имея для данного волокнистого материала значение I_o, определить величину аргумента по формуле (2) и, войдя с этим значением аргумента в калибровочный график , найти концентрацию С. Кроме того, последнюю можно получить из соответствующего аналитического выражения . Точность определения концентрации органических жидкостей данным способом находится в пределах 1^oC2% по сравнению с весовым методом. Расчеты показали также, что без существенного снижения точности возможность уменьшить потребное время эксперимента со 120 до 100 с.

По сравнению с прототипом (см. а.с. СССР N 1605199, кл. G 01 N 33/03, 1990) предлагаемый способ:
a) позволяет сохранить целостность материала в силу того, что зонд и вторичный прибор являются переносными и в процессе измерения требуется лишь надежное прижатие зонда к поверхности материала;
б) имеет повышенную точность из-за исключения операции экстракции, следовательно, устранения неопределенности степени экстрагирования в экстракте и носителе;
в) обладает повышенной экономичностью: устраняется необходимость в расходовании экстрагента;
г) имеет повышенное быстродействие также вследствие исключения операции экстракции.

Технико-экономическая эффективность способа вытекает из сохранения целостности материала, повышения точности и экономичности измерения.

Формула изобретения

Способ определения концентрации органических жидкостей в волокнистых материалах, предусматривающий тепловое воздействие на поверхность исследуемого материала, отличающийся тем, что тепловое воздействие осуществляют адиабатически, регистрируют изменение температуры по времени, по которой вычисляют значение интеграла, а затем определяют отношение где I₀ - изначальное значение интеграла для концентрации, равной нулю, и ΔI - приращение интеграла, и строят калибровочный график, при этом концентрацию органических жидкостей определяют по калибровочному графику зависимости концентрации от упомянутого отношения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6