Спосіб визначення рівноважного і динамічного поверхневих натягів рідин

Винахід відноситься до вимірювальної техніки, а саме: до визначення як рівноважного, так і динамічного поверхневого натягу (ПН) рідин, які можуть бути як чистими, так і розчинами поверхнево-активних речовин (ПАР). Відомий спосіб визначення ПН рідин, при якому на досліджуваній поверхні розташовують металеве кільце з відомими розмірами і вимірюють прецизійною вагою силу Fmax, прикладену для відриву кільця від поверхні при його русі вертикально вгору. Значення ПН розраховують за формулою де - радіус кільця, - фактор корекцій, що враховує розміри посудини з рідиною чи рідинами, розміри дроту, з якого виготовлене кільце, і різницю густин двох середовищ, границя розділу яких досліджується, визначається по емпіричних таблицях Харкінса і Джордана [1]. Однак даний спосіб не дозволяє вимірювати з достатньою точністю ПН розчинів ПАР, оскільки при руйнуванні поверхні розділу фаз порушується адсорбційна рівновага, що і приводить до значних похибок вимірювання. Запропонований спосіб направлений на вирішення задачі по проведенню вимірювання без руйнування поверхні розділу фаз і без необхідності розрахунку максимальної прикладеної сили і фактору корекцій, що дасть можливість досягнути більшої точності вимірювання. Згідно даного способу кільце піднімають на фіксовану по відношенню до досліджуваної поверхні розділу фаз висоту до моменту відриву від поверхні і вимірюють в цьому положенні прикладену до кільця силу, а значення поверхневого натягу розраховують на основі залежності поверхневого натягу від виміряної сили для фіксованого положення кільця і його конструктивних розмірів. На цій висоті повторюють вимірювання прикладеної сили, тобто визначають динамічний ПН до тих пір, поки останні два значення ПН не будуть відрізнятися на достатньо малу наперед задану величину, яка буде визначати точність знаходження рівноважного ПН, що відповідає досягненню усталеної концентрації адсбрбенту на поверхні розділу фаз. Для збільшення точності визначення рівноважного ПН процес вимірювання прикладеної сили повторюють в 3 фіксованих положеннях кільця при його підйомі до моменту відриву від поверхні, а значення поверхневого натягу знаходять як середнє арифметичне значень, розрахованих на основі залежностей поверхневого натягу від виміряної сили до кожного з цих положень кільця. Критерієм вибору оптимальних розмірів кільця (його радіуса і радіуса дроту з якого воно виготовлене) є необхідність меншої ваги кільця в порівнянні з вагою піднятої ним рідини, а також досягнення максимуму прикладеної сили при висоті більше 3мм. Переважно матеріалом, з якого виготовляють кільце, є платино-іридієвий сплав, що забезпечує нульовий кут змочування поверхні кільця будь-якою рідиною. На основі рівняння Юнга-Лапласа (1), що визначає перепад тиску через поверхню розділу фаз, були отримані теоретичні залежності Так, при і вимірюється в мН/м, а - в мН для різних положень кільця ці залежності мають вигляд: де коли - відстань від рівня незбуреної поверхні до центра кільця, - різниця питомих ваг середовищ, поверхня розділу яких досліджується. Запропонований удосконалений спосіб дозволяє значно підвищити у порівнянні зі способомпрототипом, точність визначення як рівноважного так і динамічного ПН, оскільки відсутня потреба у множенні на табличний фактор корекції і відсутній вплив зміни форми поверхні розділу фаз на процес адсорбції, так як в процесі вимірювання поверхня не тільки не руйнується, але й залишається незбуреною при тривалій фіксації кільця на одній висоті. При цьому найбільш доцільно послідовно фіксувати 3 положення кільця при його підйомі до моменту відриву від поверхні, виміряти прикладену силу, а значення рівноважного поверхневого натягу знаходити як середнє арифметичне із значень, розрахованих на основі залежностей поверхневого натягу від виміряної сили для кожного з цих положень кільця. Вказаний спосіб може бути реалізований з допомогою пристрою, блок-схема якого зображена на кресленні (фіг.). В посудині 1 знаходиться рідина, поверхня розділу якої досліджується при допомозі металевого кільця 2, нитка підвісу З якого жорстко з'єднана з мембраною модифікованого датчика тиску 4, який подає сигнал про величину прикладеної до кільця сили через аналого-цифровий перетворювач 5 на мікропроцесор 6. Дискретні переміщення вгору-вниз посудини 1 відносно кільця 2 здійснюються через передаточний механізм 7 кроковим двигуном 8, робота якого керується блоком управління 9, що зв'язаний з мікропроцесором 6 через цифро-аналоговий перетворювач 10. На індикаторі 11 висвічується інформація про величину поверхневого натягу і час існування поверхні розділу фаз. Для введення поправки на зміну положення кільця з процесі вимірювання динамічного ПН на одній фіксованій висоті внаслідок переміщення мембрани датчика тиску кроковий двигун 12, робота якого керується блоком управління 13, з'єднаним з мікропроцесором 6 через цифро-аналого-вий перетворювач 14, здійснює дискретні переміщення вгору-вниз датчика тиску 4 через передаточний механізм 15. Визначення динамічного і рівноважного ПН з допомогою описаного пристрою проводять таким чином. Наливають в посудину 1 рідину так, щоб досліджувана поверхня розділу фаз не була в контакті із металевим кільцем. При цьому сигнал на виході датчика тиску 4 відсутній. Через блок управління двигуном 9 вмикають кроковий двигун 8 для руху посудини 1 вгору. В момент дотику кільця з досліджуваною поверхнею під дією сил поверхневого натягу кільце частково занурюється у нижню рідину з утворенням менісків всередині і зовні кільця, мембрана датчика тиску 4 переміщується вниз і на мікропроцесор 6 через аналого-цифровий перетворювач 5 поступаз відповідний сигнал. Мікропроцесор через блок управління 9 зупиняє двигун 8 і через блок управління 13 подає сигнал на кроковий двигун 12, який через передаточний механізм 15 переміщує вгору датчик тиску разом із кільцем для корекції положення кільця, Після зупинки двигуна 12 мікропроцесор подає сигнал на блок управління 9 для переміщення посудини вниз на 2мм, що відповідає першому положенню кільця відносно досліджуваної поверхні, для якого в пам'ять мікропроцесора закладена залежність В момент зупинки двигуна 8 на цифровому індикаторі 11 вмикається відлік часу. Мікропроцесор по поступаючих з датчика тиску сигналах про величину прикладеної сили розраховує величину ПН значення якої, а також час існування поверхні розділу фаз від моменту встановлення кільця на заданій висоті висвічується на індикаторі 11. Визначення динамічного ПН повторюють із інтервалом 5 до тих пір, поки два останні значення не будуть відрізнятися на достатньо малу наперед введену в пам'ять мікропроцесора величину, яка буде визначати точність знаходження рівноважного ПН. Аналогічно проводять вимірювання при опусканні посудини вниз на 2,6мм і 3,0мм, що відповідає другому і третьому фіксованим положенням кільця, для яких в пам'ять, мікропроцесора введена залежність а значення рівноважного ПН знаходять як середнє арифметичне значень рівноважного ПН, знайденого для кожного фіксованого положення кільця. Описаний вище спосіб і пристрій дають можливість підвищити точність визначення як динамічного так і рівноважного ПН, що має важливе значення у зв'язку з розширенням сфер використання поверхнево-активних речовин.