Устройство для измерения поверхностного натяжения жидкости

 

Изобретение может найти применение в различных отраслях промышленности, например, в химической, лакокрасочной и в пищевой промышленности. Технический результат изобретения - повышение точности измерения поверхностного натяжения жидкости. Устройство содержит пневмоакустический блок с пневматической емкостью, генератором акустических колебаний, формирователем плоской акустической волны и измерителем звукового давления в виде струйного турбулентного усилителя. Пневмоакустический блок жестко соединен со струйным элементом и устройством перемещения, которое подключено к блоку управления. Блок управления также соединен с генератором линейно нарастающего давления и с вычислительным блоком. К вычислительному блоку подключены измеритель перемещения и расходомеру 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к пневматическим устройствам для измерения поверхностного натяжения жидкостей, и может найти применение в таких отраслях промышленности, как химическая, лакокрасочная и пищевая промышленность.

Известно бесконтактное устройство для поверхностного натяжения жидкостей (A noncontacting tecnique for measuring surface tension of liquids/ Cinbis C. , Khuri-Yakub B.T.// Rev. Sci. Instrum.., 1992, Vol. 63, N 3, P. 2048-2050. ), содержащее фокусирующий ультразвуковой генератор и оптический микроскоп, измеряющий амплитуду капиллярных волн, по которой судят о поверхностном натяжении.

Недостатком такого устройства является невозможность контроля высоковязких сред в условиях производства, а также сред, характеризующихся пожаро-и взрывоопасностью, вследствие применения электрических устройств для возбуждения и регистрации пучка капиллярных волн.

Наиболее близким к предложенному по технической сущности является устройство для измерения поверхностного натяжения (Авторское свидетельство СССР N 9357541, М, Кл.³ G 01 N 13/02, 15.06.82, Би. N 22), содержащее струйный элемент, состоящий из струйной трубки, расположенной под углом к поверхности контролируемой жидкости, и двух трубок, размещенных на одной оси в плоскости, параллельной поверхности жидкости, расходомер, дроссель и источник расхода газа.

Недостатком устройства, принятого за прототип, является влияние на точность измерений изменения плотности контролируемой жидкости.

Технической задачей изобретения является повышение точности измерения поверхностного натяжения жидкости.

Поставленная техническая задача достигается за счет того, что устройство для измерения поверхностного натяжения снабжено струйной трубкой, расположенной под углом к поверхности контролируемой жидкости, пневмоакустическим блоком, источником постоянного расхода, устройством перемещения, измерителем перемещения, блоком управления, вычислительным блоком, генератором линейно нарастающего давления, генератором тактовых импульсов, при этом пневмоакустический блок снабжен пневматической емкостью, генератором акустических колебаний, формирователем плоской акустической волны и измерителем звукового давления в виде струйного турбулентного усилителя, и жестко соединен со струйным элементом и устройством перемещения, которое подключено к первому выходу блока управления, второй выход которого соединен с входом генератора линейно нарастающего давления, а третий подключен к входу вычислительного блока, к другим входам которого подключены выход измерителя перемещения и выход расходомера, к входам блока управления присоединены соответственно выходы струйного элемента, генератора тактовых импульсов и пневмоакустического блока.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства для измерения поверхностного натяжения жидкости. Временная диаграмма работы устройства для измерения поверхностного натяжения представлена на фиг. 2.

Устройство для измерения поверхностного натяжения жидкости состоит из пневмоакустического блока 1, выполненного из пневмоемкости 2, в нижней части которой установлена диафрагма 3, выполняющая функцию генератора звуковых колебаний. Верхняя часть пневмоемкости 2 через штуцер соединена с источником постоянного расхода 4. К диафрагме 3 присоединен формирователь 5 плоской акустической волны, выполненный в виде отрезка трубы. Внутри формирователя 5 размещен турбулентный струйный усилитель, содержащий ламинарное питающее сопло 6 и приемное сопло 7. Пневмоакустический блок 1 расположен нормально к поверхности контролируемой жидкости. Пневмоемкость 2 механически соединена со струйным элементом 8, состоящим из струйной трубки 9, расположенной под углом к поверхности жидкости, и трубок 10 и 11, расположенных на одной оси в плоскости, параллельной поверхности жидкости. Кроме того, пневмоемкость 2 соединена с устройством перемещения 12 и с измерителем перемещения 13. Вход управления 14 устройством перемещения 12 подключен к выходу 15 блока управления 16, входы 17, 18 и 19 которого соединены соответственно с выходами приемного сопла 7, трубки 11 и генератора тактовых импульсов 20.

Вход струйной трубки 9 подключен через дроссель 21 к выходу генератора линейно нарастающего давления 22 и к входу измерителя расхода 23. Выход 24 блока управления 16, выход измерителя перемещения 13 и выход измерителя расхода 23 подключены соответственно к входам 25, 26 и 27 вычислительного блока 28.

Выход 29 блока управления 16 подключен к входу генератора линейно нарастающего давления 22. К выходу вычислительного блока 28 присоединен вход вторичного показывающего и регистрирующего прибора 30. Входы трубки 10 и сопла 6 соединены с линией питания сжатым воздухом.

Устройство для измерения поверхностного натяжения работает следующим образом.

При поступлении сигнала P₂₀ = 1 (фиг.2, момент времени t₀) с выхода генератора тактовых импульсов 20 на вход блока управления 16 начинается процесс измерения.

В блоке 16 формируется сигнал, под действием которого устройство 12 перемещает измерительное устройство (пневмоакустический блок 1 и струйный элемент 8), приближая плоскость А-А, в которой расположены срезы формирователя 5 плоской акустической волны и трубки 9, к поверхности контролируемой жидкости 31. На вход 26 вычислительного блока 28 с выхода измерителя перемещения 13 поступает сигнал P₁₃, пропорциональный расстоянию от диафрагмы 3 до поверхности жидкости 31.

Газ с выхода источника постоянного расхода 4 поступает в пневматическую емкость 2, проходит через диафрагму 3, турбулизируется, генерируя при этом колебания звуковой частоты f. Возникающее звуковое давление воздействует на ламинарную струю, вытекающую из сопла 6, и разрушает ее структуру. На выходе приемного сопла 7 давление P₇ становится минимальным, то есть P₇ = 0.

Падающая звуковая волна воздействует па поверхность жидкости 31 и отражается. В пространстве между диафрагмой 3 и плоскостью 31 происходит интерференция падающей и отраженной акустических волн, образуется стоячая волна, характерной особенностью которой является наличие пучностей и узлов в распределении звукового давления. При достижении некоторого критического расстояния l между диафрагмой 3 и поверхностью жидкости 31, равного иди кратного расстоянию до узла стоячей волны, структура ламинарной струи на выходе сопла 7 восстанавливается, при этом давление P₇ принимает свое максимальное значение, то есть P₇ = 1. Под действием этого давления в блоке управления 16 вырабатывается сигнал, отключающий устройство перемещения 12 и запускающий генератор линейно нарастающего давления 22. С выхода измерителя перемещения 13 на вход 26 вычислительного блока 28 поступает сигнал P₁, соответствующий критическому расстоянию l до поверхности жидкости 31. Линейно нарастающее давление с генератора 22 через дроссель 21 поступает на вход струйной трубки 9 и на вход измерителя расхода 23.

Струя газа, вытекающая из трубки 9, воздействует на поверхность жидкости 31, образуя углубление 32. При некотором критическом расходе на выходе трубки 9 поверхность углубления 32 входит в автоколебательный режим, а струя газа, взаимодействующая с поверхностью жидкости 31, приобретает криволинейную составляющую и совершает возвратно-поступательное движение с частотой колебания углубления. Вытекающая из трубки 10 ламинарная струя под действием потока газа, выходящего из углубления 32, турбулизируется, на вход 18 блока управления 16 поступает сигнал P₁₁ = 0. Управляющий сигнал с выхода 29 блока управления 16 отключает генератор линейно нарастающего давления 22, при этом на вход 27 вычислительного блока 28 с выхода измерителя расхода 23 поступает сигнал P_Q, соответствующий критическому расходу газа на выходе трубки 9. Одновременно с этим с выхода 24 блока управления 16 подается сигнал, запускающий вычислительный блок 28, на выходе которого формируется сигнал P₂₈, соответствующий величине поверхностного натяжения жидкости, поступающий на вход вторичного прибора 30.

При поступлении сигнала P₂₀ = 0 (фиг. 2, момент времени t₁) с выхода генератора тактовых импульсов 20 на вход блока управления 16 начинается процесс, при котором система возвращается в исходное состояние: сигнал с выхода 29 блока управления 16 отключает генератор линейно нарастающего давления 22, на вход 14 устройства перемещения 12 с выхода 15 блока 16 поступает сигнал, посредством которого устройство перемещения 12 поднимает измерительное устройство.

При поступлении сигнала P₂₀ = 1 (фиг. 2, момент времени t₂) на вход блока управления 16 начинается процесс измерения, аналогичный изложенному выше.

Таким образом, о поверхностном натяжении жидкости судят по расстоянию от диафрагмы 3 до поверхности 31, при котором происходит ступенчатое изменение фазы образованной стоячей волны и по критическому расходу газа на выходе трубки 9, при котором углубление 32 на поверхности жидкости 31 начинает совершать возвратно-поступательные движения.

Предлагаемое устройство для измерения поверхностного натяжения жидкости позволяет повысить точность измерений при проведении бесконтактного неразрушающего контроля высоковязких, агрессивных и быстрокристаллизующихся жидкостей) а также сред, характеризующихся пожаро- и взрывоопасностью, за счет проведения вспомогательных измерений плотности жидкости с использованием пневмоакустических эффектов сопровождающихся образованием стоячей волны в пространстве между генератором акустических колебаний и контролируемой поверхностью, путем измерения смещения ее экстремума при изменении фазы комплексного коэффициента отражения.

Формула изобретения

1. Устройство для измерения поверхностного натяжения жидкости, содержащее струйный элемент, состоящий из струйной трубки, расположенной под углом к поверхности контролируемой жидкости, и двух трубок, размещенных на одной оси в плоскости, параллельной поверхности жидкости, расходомер, дроссель, источник расхода газа, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено пневмоакустическим блоком, источником постоянного расхода, устройством перемещения, измерителем перемещения, блоком управления, вычислительным блоком, генератором линейно нарастающего давления, генератором тактовых импульсов, при этом пневмоакустический блок жестко соединен со струйным элементом и устройством перемещения, которое подключено к первому выходу блока управления, второй выход которого соединен с входом генератора линейно нарастающего давления, а третий подключен к входу вычислительного блока, к другим входам которого подключены выход измерителя перемещения и выход расходомера, к входам блока управления присоединены соответственно выходы струйного элемента, генератора тактовых импульсов и пневмоакустического блока.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что пневмоакустический блок снабжен пневматической емкостью, генератором акустических колебаний, формирователем плоской акустической волны и измерителем звукового давления в виде струйного турбулентного усилителя, при этом пневматическая емкость соединена с источником постоянного расхода, устройством перемещения, струйным элементом и генератором акустических колебаний, к которому присоединен формирователь плоской акустической волны, внутри которого расположен струйный турбулентный усилитель, выходной канал которого подключен к выходу пневмоакустического блока.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2