Спосіб вимірювання швидкості, дзета-потенціалу і розмірів частинки

Спосіб вимірювання швидкості, дзета-потенціалу і розмірів частинки, який полягає в тому, що освгглюють досліджуване середовище когерентним випромінюванням і реєструють фотоприймачем інтенсивність розсіяного частинкою випромі нювання, який відрізняється тим, що створюють в досліджуваному середовищі горизонтальне електричне поле заданої напруженості, формують в зондуючій зоні послідовно в часі три системи інтерференційних смуг, обернутих відносно одна одної, одна із яких орієнтована вертикально, подають сигнал з фотоприймача на цифровий запам'ятовуючий осцилограф, визначають три доплерівські частоти зазначеного сигналу, які відповідають трьом послідовним положенням інтерференційних смуг, обчислюють горизонтальну і вертикальну складові швидкості, дзета-потенціал і ефективний діаметр частинки Винахід відноситься до області контрольно-вимірювальної техніки і призначений для визначення швидкості, дзета-потенціалу і розмірів частинок, що рухаються в рідині під дією сили тяжіння і електрофоретичної сили, методом лазерної допплерівської анемометрії Відомий спосіб вимірювання дзета-потенціалу описаний, наприклад в [Лобанов М В , Кривов М Н Приборы для определения электрофоретической подвижности частиц в дисперсных системах "Водоснабжение и санитарная техника", 1979 №9 с 4-6] заключається він в тому, що частинку яка рухається в рідкому середовищі під дією електричного поля спостерігають за допомогою мікроскопа, забезпеченого вимірювальною сггкою, визначають швидкість руху частинок, як результат ділення шляху, пройденого частинкою, на час, що вимірюється секундоміром Значення дзета-потенціалу визначають за формулою є0 - електрична стала, Е - напруженість електричного поля Недоліком цього способу є неможливість визначення розмірів частинок, відсутність автоматизації та невисока точність вимірювань За прототип вибрано спосіб визначення розмірів частинок в рухомому середовищ, описаний в [а с СССР № 1589140, МКИ GOI № 15/00, 30 08,1990, Бюл №32] Сутність його втому, що освгглюють досліджуване середовище когерентним випромінюванням, реєструють фотоприймачем розсіяне частинкою світлове випромінювання, по амплггуді і тривалості електричних імпульсів, одержаних при реєстрації розсіяного випромінювання, визначають розміри частинок Недоліком способу - прототипу є неможливість визначення швидкості і дзета-потенціалу частинки Задачею винаходу, який подається, є створення способу вимірювання швидкості, дзета-потенціалу і розмірів частинок, в якому шляхом вимірювання трьох складових швидкості руху частинок, визначаються розміри і дзета-потенціал, що дозволяє безконтактне в процесі досліджень, з високою точністю одночасно в реальному часі вимірювати зазначені параметри частинки Таким чином розширюються функціональні можливості запропонованого способу вимірювань Поставлена задача вирішується тим, що освгг де vr - швидкість руху частинок при електрофорезі, ц - динамічна в'язкість рідини, є - відносна діелектрична проникність рідини, О ю 45077 люють досліджуване середовище когерентним випромінюванням і реєструють фотоприймачем інтенсивність розсіяного, частинкою свгглового випромінювання, і ВІДПОВІДНО винаходу створюють в досліджуваному середовищі горизонтальне електричне поле заданої напруженості, формують в зондуючій зоні послідовно в часі три системи інтерференційних смуг, обернутих відносно одна одної, одна з яких орієнтована вертикально, подають сигнал з фотоприймача на цифровий запам'ятовуючий осцилограф, визначають три допплерівські частоти зазначеного сигналу, які відповідають трьом послідовним положенням інтерференційних смуг, обчислюють горизонтальну і вертикальну складові швидкості, дзета-потенціал і ефективний діаметр частинки Особливістю запропонованого способу є створення горизонтального електричного поля і послідовних в часі трьох систем інтерференційних смуг в зондіруємій області, що забезпечує вимірювання в реальному часі не лише швидкості, а й розмірів і дзета-потенціалу частинок На фіг 1 - представлена схема для визначення горизонтальної складової швидкості частинок На фіг 2 і фіг 3 представлені схеми інтерференційних смуг для визначення вертикальної складової швидкості частинок На фіг 4 представлена блок-схема пристрою для здійснення запропонованого способу Фіг 5, вид А, фіг4 Пристрій для здійснення запропонованого способу містить, джерело 1 когерентного випромінювання - лазер типу ЛГН-222, складовий спгглоподільник 2, електромеханічний модулятор 3, встановлений з можливістю обертання, дзеркала 4, 5, 6, 7, 8, електрофоретичну камеру 9, фотоприймач 10 (ФЕУ 84-5), вихід якого електрично зв'язаний з цифровим запам'ятовуючим осцилографом 11 (С 98) Запропонований спосіб вимірювання швидкості, розмірів і дзета-потенціалу частинок здійснюється таким чином Як відомо з лггератури, [наприклад Воюцкий С С Курс коллоидной химии — М , "Химия", 1975, с 73-74] вертикальна швидкість частинки VB В процесі седиментації під дією сили тяжіння залежить від ефективного діаметру і визначається за формулою 18 tj (2) де, d- ефективний діаметр частинки, щ- в'язкість рідини, р - густина частинки, Ро - густина рідини, g - прискорення вільного падіння Визначивши вертикальну складову швидкості частинки, можна обчислити и ефективний діаметр Li — (3) Таким чином, вимірявши горизонтальну та вер тикальну складові частинки, що рухається в електричному полі і полі сили тяжіння, за формулою (1) визначається дзета-потенціал і за формулою (3) обчислюється ефективний діаметр частинки Для одночасного вимірювання вертикальної і горизонтальної швидкості використовується метод лазерної допплерівської інтерферометри, суть якого в тому, що в зондуємій зоні в вертикальній площині, що проходить через вектор швидкості частинки, формується перша система вертикальних інтерференційних смуг і по допплерівській частоті vj сигналу, що відповідає даній системі інтерференційних смуг, визначається горизонтальна складова швидкості частинки, (фіг1) У =V, (4) 2 sin 2 де І - довжина випромінювання лазеру, який в и ко р и сто ву ється, щ - кут між зондуючими першим і другим пучками Потім ДЛЯ визначення величини вертикальної складової швидкості VB і напряму горизонтальної складової V r в тій самій площині утворюється друга система інтерференційних смуг, яка повернута відносно першої, наприклад, на кут 120° Ця друга система інтерференційних смуг утворюється першим і третім пучками (другий пучок перекритий) Визначається допплерівська частота V2 сигналу, який відповідає цій другій системі інтерференційних смуг і обчислюється величина проекції швидкості на другий напрямок, фіг2 V2 2 sin 22 (6) де, а.2 кут між першим і третім пучками Потім ПОСЛІДОВНО В часі утворюється третя система інтерференційних смуг, повернута , наприклад , на 120° відносно другої При цьому перший пучок перекритий і відбувається інтерференція другого та третього пучків Визначається допплерівська частота vs сигналу, що відповідає цій третій системі інтерференційних смуг, і обчислюється проекція швидкості на третій напрямок, фігЗ •Л, 2sm U) 2 де, аз - кут між другим та третім пучками З метою спрощення оптичної схеми і розрахунків при реалізації запропонованого способу кути щ, аг, «з між штерферируючими пучками обираються рівними, щ = а2 = аз = 120° Тоді формули (4-6) для проекцій швидкості на обрані напрями набирають вигляду 45077 електрофоретичної камери 9 під кутом 30° до гориГ зонталі Розсіяне рухаючою частинкою випромінюVjA (8 1) вання реєструється фотоприймачем 10 Допплерівський сигнал з виходу фотоприймача 10 подається на вхід запам'ятовуючого осцилографа 11, вихід якого електрично зв'язаний з ПЕОМ 12 ВиміУ- = (8 2) рюється допплерівська частота сигналу v\ і за формулою (8 1) обчислюється величина горизонтальної швидкості Vr= Vj V3A V — Потім, ПІСЛЯ повороту диска модулятора 3 на (8 3) кут 120° (час повороту на зазначений кут відповідає одній третині часу розгоргки на екрані осцилографу 11), в зондируємій зоні утворюється першим і третім пучками друга система інтерференційних Знаючи значення проекції швидкості V^,V2, і Vz смуг Третій пучок спрямовується в зазначену зонна ВІДПОВІДНІ напрями, визначають величину і надуючу зону за допомогою дзеркала 8 перпендикупрям горизонтальної і вертикальної складових лярно горизонтальній осі Визначається допплерівшвидкості таким чином ська частота V2 сигналу і за формулою (8 2) визначається величина проекції швидкості на другий напрям Потім, ПІСЛЯ повороту диску модулятора 3 на якщо Vl=\V2-V3\ тоді ) у ,у кут 120° , в зазначеній зоні електрофоретичної ко5 1 мірки 9 утворюється третім і другим пучками третя система інтерференційних смуг Визначається допплерівська частота сигналу Уз і за формулою (8 3), обчислюється величина проекції швидкості на третій напрямок , який має кут 120° з горизонтальною якщо Vx =V2-V3 тоді (10) віссю Використовуючи формули ( 9,10 ) визначається величина і напрям горизонтальної і вертикальної складових швидкості частинки в електрофоретичній камері Таким чином, запропонований спосіб дозволяє Значення дзета-потенціалу частинки, що має визначити значення і напрям швидкості частинки подвійний електричний шар, визначають за форПотім, знаючи вертикальну і горизонтальну скламулою (1 ) дові швидкості, за формулою (1) обчислюють дзета-потенціал, а за формулою (3) - ефективний діаVrV £ _. З метр частинки Випромінювання лазера 1 спрямовують на сві2 є-Єп-Е тлоподільник 2, на виході якого формуються три паралельні пучки Електромеханічний модулятор З Знаючи значення вертикальної складової являє собою диск з прорізами, як показано на фіг швидкості, обчислюють величину ефективного діа5 (Вид А), закріплений на валу електродвигуна з метру частинки за формулою (3) регулюючою частотою обертання ротора За допомогою дзеркала 4,5 перший пучок спрямовується в зондуючу зону електрофоретичної камери 9 під кутом 150° до горизонтальної осі Одночасно другий пучок за допомогою дзеркал 6,7 також спрямовується в зазначену зондуючу зону 75 ФІГ. 1 45077 oC, Фіг. 2 Фіг. З Фіг.4 45077 10 Фіг. 5 ДП "Український інститут промислової власності "(Укрпатент) Україна, 04119, Киів-119, вул сім'ї Хохлових, 15 (044) 456-20-90