Дифференциальный способ определения коэффициента диффузии молекул воды в газах

Авторы патента:

G01N27/26 - путем определения электрохимических параметров; путем электролиза или электрофореза (определение коррозионной стойкости G01N 17/00; путем разделения на составные части с использованием адсорбции, абсорбции или подобных процессов или с использованием ионного обмена, например хроматографии G01N 30/00; иммуноэлектрофорез G01N 33/561; электрохимические процессы и аппараты вообще B01J; стандартные элементы H01M 6/28)

Владельцы патента RU 2702135:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Красноярский государственный педагогический университет им. В.П. Астафьева" (КГПУ им. В.П. Астафьева) (RU)

Изобретение относится к области молекулярной физики, в частности к дифференциальным способам определения коэффициента диффузии молекул воды в газах. Дифференциальный способ определения коэффициента диффузии молекул воды в газах включает измерение силы тока в датчике влажности, размещенном в сосуде с водой, на расстоянии (х) от поверхности воды, соединенном в электрическую цепь с источником тока и измерительным устройством, отличается тем, что измерение силы тока проводят в сосуде с водой, в котором установлены два дополнительных датчика, с образованием системы из трех датчиков, находящихся в одномерном диффузионном процессе, при этом один дополнительный датчик размещен на расстоянии (х-Δх) от поверхности воды, другой на расстоянии (х+Δх) от поверхности воды, датчики системы соединены параллельно и подключены к источнику тока, каждый датчик подключен к собственному измерительному устройству, измерение силы тока в каждом датчике начинают проводить при изменении токов в датчиках во времени, при этом все датчики в цепи должны удовлетворять следующему условию - ток в каждом из датчиков при условии размещения их на одинаковом расстоянии от поверхности воды, должен быть одинаков, силу тока в каждом из трех датчиков измеряют одновременно, через рассчитанный экспериментальным путем интервал времени, повторно измеряют силу тока в датчике, размещенном на расстоянии (х) от поверхности воды, коэффициент диффузии рассчитывают по формуле

где Δх - расстояние между датчиками; ₁(t) - ток в датчике, размещенном на расстоянии (x-∆x) от поверхности воды, в момент времени t; ₂(t) - ток в датчике, размещенном на расстоянии (x) от поверхности воды, в момент времени t; ₃(t) - ток в датчике, размещенном на расстоянии (x+∆x) от поверхности воды, в момент времени t; ₂(t+Δt) - ток в датчике, размещенном на расстоянии (x) от поверхности воды, в момент времени (t+Δt); - интервал времени, через который производится повторное измерение тока в датчике, размещенном на расстоянии (x) от поверхности воды. Техническим результатом является повышение точности определения коэффициента диффузии молекул воды в газах. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области молекулярной физики, в частности к дифференциальным способам определения коэффициента диффузии молекул воды в газах, и может быть использовано в химической промышленности, в сельском хозяйстве для контроля режима влажности в помещениях и в емкостях, а также в учебных и научных целях для измерения коэффициента диффузии молекул воды в различных газовых средах.

Известен способ определения коэффициента диффузии молекул воды в газах из зависимости изменения концентраций компонентов газовой смеси от времени, для оценки которых применяются датчики, измеряющие коэффициент теплопроводности с использованием зависимости последнего от концентрации состава газовой смеси. Коэффициент диффузии вычисляют из полученного в результате измерений постоянного времени процесса, зависящего также и от геометрических размеров сосудов, образующих замкнутый объем (Лабораторные занятия по физике: учеб. пособие / Л.Л. Гольдин и др.; под ред. Л.Л. Гольдина. М.: Наука, 1983. С. 194-198).

Недостатком этого способа является сложность измерительной системы и ее настройки, поскольку требуется предварительное исследование зависимости теплопроводности газовой смеси от ее состава, невысокая точность измерений.

Известен также способ определения коэффициента взаимной диффузии молекул газов (RU №2581512 С1, G01N 13/00, 20.04.2016, Бюл. № 11), заключающийся в том, что частично заполняют жидкостью диффузионную ячейку в виде прозрачной капиллярной трубки, плотно закрытой с одного конца и открытой с другого, при этом, молекулы жидкости, испаряясь с ее поверхности, диффундируют к открытому концу, подчиняясь уравнению, согласно которому разность квадратов расстояния поверхности жидкости от свободного конца x²-x₀² (в момент t>0 от начала измерения и в начальный момент t=0 соответственно) пропорциональна t, определяют коэффициент пропорциональности k из графика этой зависимости и вычисляют искомый коэффициент взаимной диффузии по формуле:

где:

ρ_ж – плотность жидкости;

R – универсальная газовая постоянная;

Т – абсолютная температура;

p₀ – парциальное давление пара во внешнем газе;

p_н – парциальное давление насыщенного пара вблизи поверхности исследуемой жидкости при данной температуре T.

Основным недостатком способа является нестационарность диффузионного потока молекул исследуемой жидкости в применяемой для осуществления способа капиллярной трубке. В трубке идет процесс испарения жидкости – это приводит к тому, что расстояние от границы жидкости до выходного отверстия во «внешний» газ все время меняется – растет. Далее пары испаренной жидкости вступают в диффузионный процесс от точечного и нестационарного источника диффундирующих молекул во «внешний» газ. По существу, определение коэффициента взаимной диффузии молекул газов, сводится к применению эмпирической формулы, без учета физики процесса. Необходимо также отметить, что измерение динамики движения жидкости в трубке требует наличия оптической системы наблюдения, что усложняет измерительный процесс, т.к. время испарения воды из ячейки имеет величину порядка нескольких часов (это эквивалентно измерению высоты жидкости в стакане с водой).

Известен также способ определения коэффициента диффузии молекул воды в газах, основанный на определении динамики изменения концентрации молекул H₂O на заданном расстоянии от поверхности воды – n(x,t) в процессе одномерной диффузии. Измерения осуществляют с использованием датчика влажности (RU №152497 U1, G01N 27/00, 10.06.2015, Бюл. № 16), который включает влагопоглощающий слой, пропитанный солями щелочных металлов и токопроводящие обкладки, выполненные в виде двух металлических сеточек, между которыми расположен влагопоглощающий слой, выполненный из тонкой бумаги, пропитанной хлоридом натрия, металлические сеточки скреплены по периметру и соединены в последовательную электрическую цепь с источником тока и измерительным устройством, в частности, мультиметром, измеряющим ток в цепи.

Из полученных зависимостей определяют D, как отношение расстояния от воды до датчика на характерное время выхода зависимости на стационарный уровень: D=x⁄τ.

Таким образом, измерение коэффициента диффузии при использовании метода с одним датчиком основано на измерении характерного времени выхода измеряемого тока на стационарный режим (ток в датчике пропорционален концентрации H₂O в области датчика).

В процессе измерения характерного времени при небольших (1–3) см могут возникнуть ошибки, связанные с тем, что процесс диффузии только начинает формироваться. На этом этапе могут появиться флуктуации в диффузионной зоне, обусловленные большим градиентом концентрации молекул воды на границе вода – газ. Этот эффект снижает точность измерения коэффициента диффузии.

Задачей изобретения является повышение точности определения коэффициента диффузии молекул воды в газах.

Технический результат, достигаемый при реализации заявленного способа, выражается в повышении точности определения коэффициента диффузии молекул воды в газах, за счет увеличения числа измеряемых параметров, описывающих диффузионный поток молекул H₂O в газовой среде, и тем самым, более точно отражающих физику процесса.

Технический результат достигается тем, что в дифференциальном способе определения коэффициента диффузии молекул воды в газах, включающем измерение силы тока в датчике влажности, размещенном в сосуде с водой, на расстоянии (х) от поверхности воды, соединенным в электрическую цепь с источником тока и измерительным устройством, согласно изобретению измерение силы тока проводят в сосуде с водой, в котором установлены два дополнительных датчика, с образованием системы из трех датчиков, находящихся в одномерном диффузионном процессе, при этом, один дополнительный датчик размещен на расстоянии (х-Δх) от поверхности воды, другой на расстоянии (х+Δх) от поверхности воды, датчики системы соединены параллельно и подключены к источнику тока; каждый датчик подключен к собственному измерительному устройству; измерение силы тока в каждом датчике начинают проводить при изменении токов в датчиках во времени, при этом, все датчики в цепи должны удовлетворять следующему условию – ток в каждом из датчиков при условии размещения их на одинаковом расстоянии от поверхности воды, должен быть одинаков; силу тока в каждом из трех датчиков измеряют одновременно, через рассчитанный экспериментальным путем интервал времени, повторно измеряют силу тока в датчике, размещенном на расстоянии (х) от поверхности воды; коэффициент диффузии рассчитывают по формуле:

где:

Δх – расстояние между датчиками;

₁(t) – ток в датчике, размещенном на расстоянии (x-∆x) от поверхности воды, в момент времени t;

₂(t) – ток в датчике, размещенном на расстоянии (x) от поверхности воды, в момент времени t;

₃(t) – ток в датчике, размещенном на расстоянии (x+∆x) от поверхности воды, в момент времени t;

₂(t+Δt) – ток в датчике, размещенном на расстоянии (x) от поверхности воды, в момент времени (t+Δt);

– интервал времени, через который производится повторное измерение тока в датчике, размещенном на расстоянии (x) от поверхности воды (Δt подбирают экспериментально в соответствии с законами молекулярной физики).

При осуществлении способа определения коэффициента диффузии молекул воды в газах, одномерная диффузия может быть создана в стакане высотой 25–30 см, диаметром 4–6 см, со слоем воды 1–2 см; размещением нижнего датчика на расстоянии 1–4 см от поверхности воды, с одинаковым расстоянием между соседними датчиками, которое может составлять от 3 до 5 мм.

Измерение коэффициента диффузии основано на двух факторах:

– наличие датчика влажности, ток в котором пропорционален концентрации молекул воды в окрестности датчика;

– наличие математического уравнения, описывающего процесс одномерной самодиффузии, которое имеет вид:

Здесь n(x,t) – концентрация молекул воды в газе, в окрестности координаты x, в момент времени t, D – коэффициент диффузии.

Производные в уравнении, записанные в разностном виде:

Подставляя (2) и (3) в уравнение (1), получаем:

Так как ток в датчике пропорционален концентрации молекул воды в газе, формула для определения коэффициента диффузии примет вид:

где:

₁(t) – ток в датчике, размещенном на расстоянии (x-∆x), в момент времени t;

₂(t) – ток в датчике, размещенном на расстоянии (x), в момент времени t;

₃(t) – ток в датчике, размещенном на расстоянии (x+∆x), в момент времени t;

₂(t+Δt) – ток в датчике, размещенном на расстоянии (x), в момент времени (t+Δt).

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 показана схема расположения датчиков при осуществлении дифференциального способа определения коэффициента диффузии молекул воды в газах.

На фиг. 2 показана электрическая измерительная цепь дифференциального способа определения коэффициента диффузии молекул воды в газах, где: А₁– микроампереметр, измеряющий ток в датчике, размещенном на расстоянии (x-∆x), в момент времени t; А₂– микроампереметр, измеряющий ток в датчике, размещенном на расстоянии (x), в момент времени t; А₃– микроампереметр, измеряющий ток в датчике, размещенном на расстоянии (x+∆x), в момент времени t.

Позициями на чертежах отмечены:

1 – датчик влажности, размещенный на расстоянии (х-Δх) от поверхности воды; 2 – датчик влажности, размещенный на расстоянии (х) от поверхности воды; 3 – датчик влажности, размещенный на расстоянии (х+Δх) от поверхности воды; 4 – измерительный сосуд; 5 – поверхность воды; 6 – измерительные устройства (амперметры или мультиметры); 7 – источник тока.

Дифференциальный способ определения коэффициента диффузии молекул воды в газах осуществляют следующим образом.

В цилиндрический сосуд наливают воду комнатной температуры. Толщина слоя воды 1–2 см. На внутренней поверхности стенок сосуда не должно быть капель воды. В сосуде размещают подготовленную систему из трех одинаковых датчиков влажности, включенных в измерительную цепь параллельно. При этом один датчик устанавливают на расстоянии (х) от поверхности воды; другой датчик устанавливают ближе к поверхности воды, на расстоянии от нее, равном (х-Δх), третий датчик устанавливают выше первого, на расстоянии от поверхности воды, равном (х+Δх). Наиболее оптимальным расстоянием между датчиками является 3–5 мм. Подключают измерительную цепь к источнику постоянного тока (4,5–20) Вольт и одновременно измеряют силу тока в каждом датчике. В среднем датчике, находящемся на расстоянии (x) от воды, измерения тока проводят 2 раза: первый раз, когда измеряются токи во всех датчиках одновременно; второй раз – через Δt = 30 сек. после первого измерения. С учетом полученных результатов измерений определяют коэффициента диффузии молекул воды в газах по формуле:

Для корректировки сопротивления датчика в цепь можно подключить потенциометр.

Осуществление способа показано на примере.

Пример. В вертикально стоящий стакан высотой 30 см, диаметром 5 см, с налитой в него водой комнатной температуры до метки 1 см по высоте стакана, поместили три одинаковых датчика влажности, с расстоянием между датчиками по вертикали – 5 мм. Первый датчик расположен на расстоянии 1 см от поверхности воды, второй датчик на расстоянии 1,5 см от поверхности воды, третий на расстоянии 2 см от поверхности воды. После подключения измерительной цепи к источнику постоянного тока (4,5–20) Вольт, измеряли силу тока в каждом датчике. Через 30 сек. повторно измеряли силу тока в датчике, размещенном на расстоянии (х) от поверхности воды. Были зафиксированы следующие показания токов:

₂(t) = 881 мкА

₂(t+Δt) = 1254 мкА

₁(t) = 2040 мкА

₃(t) = 481 мкА

Подстановка измеренных величин в формулу расчета коэффициента диффузии дает:

Таким образом, заявляемый дифференциальный способ определения коэффициента диффузии молекул воды в газах, позволяет максимально подробно описать физический процесс диффузии молекул воды в газах и за счет увеличения числа измеряемых параметров, описывающих диффузионный поток молекул H₂O в газовой среде, повысить точность определения коэффициента диффузии молекул воды в газах.

1. Дифференциальный способ определения коэффициента диффузии молекул воды в газах, включающий измерение силы тока в датчике влажности, размещенном в сосуде с водой, на расстоянии (х) от поверхности воды, соединенном в электрическую цепь с источником тока и измерительным устройством, отличающийся тем, что измерение силы тока проводят в сосуде с водой, в котором установлены два дополнительных датчика, с образованием системы из трех датчиков, находящихся в одномерном диффузионном процессе, при этом один дополнительный датчик размещен на расстоянии (х-Δх) от поверхности воды, другой на расстоянии (х+Δх) от поверхности воды, датчики системы соединены параллельно и подключены к источнику тока, каждый датчик подключен к собственному измерительному устройству, измерение силы тока в каждом датчике начинают проводить при изменении токов в датчиках во времени, при этом все датчики в цепи должны удовлетворять следующему условию - ток в каждом из датчиков при условии размещения их на одинаковом расстоянии от поверхности воды должен быть одинаков, силу тока в каждом из трех датчиков измеряют одновременно, через рассчитанный экспериментальным путем интервал времени, повторно измеряют силу тока в датчике, размещенном на расстоянии (х) от поверхности воды, коэффициент диффузии рассчитывают по формуле

где Δх - расстояние между датчиками;

₁(t) - ток в датчике, размещенном на расстоянии (x-∆x) от поверхности воды, в момент времени t;

₂(t) - ток в датчике, размещенном на расстоянии (x) от поверхности воды, в момент времени t;

₃(t) - ток в датчике, размещенном на расстоянии (x+∆x) от поверхности воды, в момент времени t;

₂(t+Δt) - ток в датчике, размещенном на расстоянии (x) от поверхности воды, в момент времени (t+Δt);

- интервал времени, через который производится повторное измерение тока в датчике, размещенном на расстоянии (x) от поверхности воды.

2. Дифференциальный способ определения коэффициента диффузии молекул воды в газах по п. 1, отличающийся тем, что одномерную диффузию создают в стакане высотой 25-30 см, диаметром 4-6 см, со слоем воды 1-2 см, с размещением нижнего датчика на расстоянии 1-4 см от поверхности воды и одинаковым расстоянием между соседними датчиками от 3 до 5 мм.

Изобретение относится к области электрохимических методов анализа, в частности к определению содержания свободного холестерина в образце сыворотки или плазмы крови с использованием платинового электрода и растворенного в апротонном растворителе катализатора электрохимического окисления холестерина.

Способ определения глубины некроза миокарда у больных острым коронарным синдромом с подъемом сегмента st // 2699276

Изобретение относится к медицине, а именно к кардиологии, и может быть использовано для определения глубины некроза миокарда по комплексу показателей у пациентов с острым коронарным синдромом с подъемом сегмента ST (ОКСпST).

Способ определения содержания салициловой кислоты в вегетативных органах растений методом капиллярного электрофореза // 2698913

Изобретение относится к аналитической химии фенолкарбоновых кислот, в частности к способу определения салициловой кислоты в побегах растений. Способ определения содержания салициловой кислоты в растительной ткани предусматривает экстракционную пробоподготовку биологического материала, центрифугирование, и отличается тем, что для выделения салициловой кислоты из растительной ткани используется водный 0,1 М раствор гидрокарбоната натрия и количественное определение содержания салициловой кислоты в виде натриевой соли проводится на системе капиллярного электрофореза в кварцевом капилляре, эффективной длиной 0,5 м, внутренним диаметром 75 мкм, с использованием для анализа водного ведущего электролита, содержащего 0,33 % масс.

Способ оценки константы диссоциации органических соединений методом капиллярного электрофореза // 2694131

Изобретение относится к области анализа небиологических материалов путем электрофореза. В способе оценки константы диссоциации органических соединений методом капиллярного электрофореза с использованием ультрафиолетового (УФ) детектирования путем определения зависимости эффективной подвижности исследуемого органического соединения по отношению к маркеру от рН среды, выбора двух различных электролитических систем с разными значениями рН, в которых эффективные подвижности различаются значительно, и расчета значения константы диссоциации pK, при этом согласно изобретению растворители, полярный ацетон или неполярный бензол, одновременно используют в качестве маркера электроосмотического потока и растворителя анализируемого соединения.

Измерительная ячейка // 2690081

Изобретение относится к области измерительной техники и предназначено для аналитического контроля физико-химических свойств воды, в том числе и высокой степени очистки, и водных растворов в системах контроля технологических процессов на электростанциях, в аналитических лабораториях и других производствах.

Цифровое обнаружение образца в измерителе аналита // 2686463

Изобретение относится к портативным измерителям концентрации аналита в крови с использованием тест-полоски. Измеритель аналита содержит: отверстие порта для полоски, выполненное с возможностью принимать тест-полоску, причем указанное отверстие проходит до соединителя порта для полоски, который содержит: первый контакт для обнаружения цифрового сигнала обнаружения полоски, когда тест-полоску вставляют в отверстие порта для полоски; и второй контакт для обнаружения цифрового сигнала обнаружения образца, когда образец наносят на вставленную тест-полоску, а также -дисплей, и цепь управления, электрически соединенную с первым и вторым контактами.

Способ определения коэффициента диффузии в листовых ортотропных капиллярно-пористых материалах // 2677259

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при исследовании процессов массопереноса и для определения коэффициентов диффузии растворителей в ортотропных капиллярно-пористых материалов в бумажной, легкой, строительной и других отраслях промышленности.

Способ изготовления сенсорного материала и сенсора на его основе // 2677077

Изобретение относится к электрохимическим методам анализа. Согласно изобретению предложены способ изготовления сенсорного материала и сенсора на его основе путем импритинга гидроксикислотами боронатзамещенного полианилина.

Ионно-потенциометрический способ литохимических поисков золоторудных месторождений // 2675774

Изобретение относится к способам литохимических поисков золоторудных месторождений. Сущность: проводят отбор и физико-химический анализ проб.

Обнаружение тест-полоски контрольно-измерительного устройства для измерения аналита // 2672111

Группа изобретений относится к области контрольно-измерительных систем для измерения аналита в крови. Контрольно-измерительное устройство для измерения аналита включает соединитель порта для тест-полоски, схему входного каскада, электрически соединенную с аналитической тест-полоской и содержащую операционный усилитель, микроконтроллер и сигнальную линию обнаружения тест-полоски, соединенную с источником напряжения питания и с землей, при этом соединение заземления выполнено проходящим через вставленную тест-полоску и через выходной узел операционного усилителя.