Способ одновременного определения межфазного натяжения и вязкости жидкостей и устройство для его осуществления

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК П 9) 51)5 6 01 Й 13/ ОМИТЕТОТКР ЫТИ ГОСУДАРСТВЕННЬПО ИЗОБРЕТЕНИПРИ ГКНТ СССР ВРЕТЕ НУ фтегазовыи научно-исситут А;М. Полищук ерение динамического ежфазного натяжения йся висячей капли. - х исследований, М 8,4571081, кл. 356/3 ОПИСАНИЕ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(71) Всесоюзный неледовательский инст(56) Бадрян А,А. Измповерхностнего и мметодом колеблющеПриборы для научнь1986, с, 128 - 132.(54) СПОСОБ ОДНОВРЕМЕННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕЖФАЗНОГО НАТЯЖЕНИЯ ИВЯЗКОСТИ ЖИДКОСТЕЙ И УСТРОЙСТВОДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Изобретение относится к физике, а именно к способам и устройствам для изучения свойств межфазных границ раздела,Известны способ и устройство для измерения поверхностного и межфазного натяжения на основе изучения колебаний висящей капли,Недостатком этого способа является низкая точность.Известны также способ изучения свойств жидкости, основанный на спектроскопии когерентного света, рассеянного на поверхностных волнах,и устройства для его осуществления.Вязкоупругие свойства границы раздела определяются, изучая пространственно- частотные характеристики когерентного(57) Изобретение относится к физике. Целью изобретения является повышение точности.Для этого используется зондирование межфазной границы раздела двумя параллельными лазерными лучами при возможности изменения расстояния между ними в присутствии прозрачной для лазерного излучения плоской границы раздела на некотором расстоянии от исследуемой поверхности жидкости. Зондирование исследуемой поверхности жидкости производят под углом, превышающим угол полного внутреннего отражения. При этом данные о межфазном натяжении и вязкости жидкости получают из анализа пространственна-временных свойств лазерного излучения, прошедшего границу раздела фаз, на которой возбужда- Я ют поверхностные бегущие волны. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил. света, рассеянного на поверхностных волнах.При этом частота рассеянного когеренного света зависит от скорости движения поверхностной волны, т.е. рассеянный свет претерпевает доплеровский сдвиг. В силу лучайного характера поверхностных волн роисходит ушиоение спектра рассеянного вета, которое зависит также от затухания оверхностных волн из-за вязкости жидкоти, Это приводит к трудности анализа спекральных характеристик рассеянного светавыделения информации о свойствах поерхностных волн, связанных со свойствами жидкости.Наличие связи между волновым числом оверхностной волны и частотой этой волны(дисперсионное соотношение) приводит к необходимости измерения пространственных свойств рассеянного излучения, Недостатком этого способа являются также трудности, связанные с регистрацией рассеянного света на тепловых поверхностных волнах, имеющих амплитуду 1 нм (10 м) в пределах волновых чисел (10 - 100 см ). При этом угол рассеяния составляет величину порядка 10 мрад (10 рад)Недостатком является также необходимость защиты от посторонних вибраций и возмущений исследуемого объема жидкости.Устройство для изучения свойств жидкостей содержит источник когерентного света - лазер, формирующую оптику и дифракционную решетку для расщепления лазерного луча на два луча, фотоприемное устройство (ФЭУ) и электронную систему для анализа фототока.Цель изобретения - упрощение повышения точности определения,Способ одновременного определения межфазного натяжения и вязкости жидкостей заключается в распределении лазерного луча на зондирующий и, дифрэгировэнный, их фокусированиина исследуемую границу раздела фаз и детектировании отраженного и рассеянных от этой границы лучей. Нэ пути лазерных лучей над исследуемой границей раздела фаз размещают прозрачное для лазерного излучения тело, например призму, с плоской поверхностью, обращенной к границе раздела фаз и расположенной от нее на расстоянии не более длины волны лазерного излучения. Показатель преломления прозрачного тела превышает показатель преломления фазы, в которой оно расположено. Расщепленные лучи направляют к границе раздела фаз под углом, большим угла полного внутреннего отражения, а на границе раздела фаз жидкости производят возбуждение поверхностных волн.На фиг,1 представлена схема устройства для одновременого определения межфазного натяжения и.вязкости жидкости; на фиг.2 - временная зависимость сигналов фотоприемников; на фиг,З - схема измерения длины волны поверхностных волн,При возбуждении поверхностной волны ее амплитуда в одномерном случае представляется в ридеА " Ао е ехр (в 1 - а х), (1) где у - коэффициент затухания2 Рй)4Р)Я(б) (7) в - круговая частота поверхностнойволны;9 - ускорение свободного падения.При этом связь между угловой частотой5 поверхностной волны и волновым векторомопределяется дисперсионным соотношениемая =я а+-чзо зР(3)10 2 жгде ц = (- - модуль. волнового вектора поверхностной волны;С - поверхностное (межфазное) натяжение;р- плотность жидкости,Поверхностное натяжение и вязкостьжидкости определяют по формулам- рдЦ(5)2 йу"При детектировании излучения, прошедшего границу раздела, функциональная25 зависимость фототока на выходе с фотоприемника имеет вид- Епрош = Ео ехр (-2 Кг).гдек =( - )(и зпО - 1);2 ЙР 2сЕо - амплитуда волны нэ границе двухсредк - расстояние по нормали к этой границе до некоторой точки в среде 2;м- угловая частота используемого излучения;с - скорость света;и = п 1/п 2 - показатели преломленияпервой и второй сред, разделенных границей раздела,Для к=о+ А,где о - постоянный уровень жидкости;А - амплитуда поверхностной волны.Переменная составляющая фототокавыражается в вие1 ЕпрощЕо ехр - 2 М Ао е ф хх ехр(в 1 т - о х; (8)3 Епрош Ео ехр (- 2 с Ао хх ехр(3 (а 11 - о х) -уф. (9)Используя для усиления сигналов фотоприемника логарифмический усилитель,можно получить сигнал на выходе с усилителя в видеО Ооехр(в 1 й - о х)-у 1) (10)55 и на экране осциллографа наблюдать периодический сигнал с частотой в 1; длиной вол 2 лны А =, затухающий с коэффициентомзатухания у,На фиг.2 представлена картина переменного сигнала фототока при прохождении когерентного света через поверхность межфазной границы раздела: кривая 12 - сигнал с первого фотоприемника при прохождении первого лазерного луча через поверхностную волну жидкости, кривые 13, 14 - сигнал с второго фотоприемника при разных положениях второго параллельного лазерного луча по отношению к первому лучу, Т - период сигнала, й) - круговая частота сигнала, равная круговой частоте исследуемой поверхностной волны; сг - время, за которое амплитуда сигнала упадет в е раэ, у - коэффициент затухания сигнала и поверхностной волны.Измеряя расстояние между максимумами электрического сигнала на выходе из логарифмического усилителя, получают период колебаний поверхностной волны Т, а2 л следовательно, и круговую частоту в =Измеряя время затухания тз по моменту, когда амплитуда уменьшается в е раз, определяют вязкость согласно формуле (5).Для определения поверхностного или межфаэного натяжения в соответствии с выражением (4), помимо знания в,измеряют2 кволновое число о = - или длину волны Х.Для измерения длины волны поверхностных волн необходимо использовать два зондирующих лазерных луча, один иэ которых может перемещаться параллельно другому (фиг.1),Перемещая луч Лг параллельно лучу Л 1 с фотоприемников получают выходной сигнал вида (10). Максимумы двух сигналов по времени совпадают только тогда, когда расстояниемежду точками пересечения лучей с пучностями поверхностной волны равно щ Л где а - целое число: 1, 2, 3, 4Зная расстояние, можно определить длину волны АЯ= - , (11)п)где а - целое число,Фиг.З поясняет принцип измерения волнового числа поверхностной волны (длины волны) с помощью зондирования межфазной границы двумя лучами, Луч Л 1 неподвижен. Луч Лг проходит через устройство, позволяющее его смещать параллельно лучу Л 1. Е - расстояние между точками одинаковой фазц поверхностной волны.Для измерения ц или Лдобиваются, чтобы пучности периодического сигнала фото- тока совпадали при каком-то определенном расстоянии й 1 между параллельными лучами.Тогда а Л=, где 0- угол падени (12),й 1соз 05 При параллельном перемещении одного излазерных лучей достигают следующего совпадения пучностей периодических сигналов фототока.При этом (гп + 1) Л =пгсов 0Отсюда получаютЬ 2 - ь 1П р и м е р. Устройство для осуществления способа состоит из лазера 1, луч которого с помощью зеркала 2 направляется на сканер-расщепитель 3. Лазерный луч расщепляется на два луча Л 1 и Лг, которые направляют в измерительный сосуд 4, который гидростатически связан с нагнетательным сосудом 5. Поршень б служит для регулировки высоты жидкости 7,в измерительном сосуде 4. Над поверхностью жидкости расположено прозрачное для лазерного 25 излучения тело, например призма 8,На пути прошедших границу разделалучей Л 1 и Лг установлены фотоприемники 9 и 10, сигналы с которых подаются на двух- лучевой запоминающий осциллограф 11,Зазор между плоской поверхностьюпризмы 8 и поверхностью жидкости 7 выбирают порядка. длины волны используемого излучения. Для этого используют систему сообщающихся сосудов 4 и 5, Один сосуд 35 является измерительным, а другой нагнетательным, В сообщающихся сосудах с помощью поршня б меняют уровень жидкости и соответственно величину зазора, Мощность прошедшего света падает примерно в 40 100 раз с увеличением зазора на длину волны 1.Так как минимальная величина света,регистрируемая фотоумножителями, составляет величину порядка 10 Вт,можно 45 показать, что зазор может составлять довольно значительную величину. Так, если использовать Не - Ме лазер с выходной мощностью 10 Вт, то при зазоре 8 Л, т.е,48 мкм величина прошедшего света составляет величину 10 Вт, Использование метода счета фотонов позволяет проводить измерение поверхностных волн, Это также упрощает возбуждение поверхностной волны, При этом возбуждение производят либо механически(например, бросанием небольшого предмета), либо бесконтактным способом с помощью мощного лазерного излучения.20 Таким образом, меняя с помощью поршня уровень в измерительном сосуде 4, получают необходимую величину прошедшей мощности лазерного света.Оптическая система состоит из лазера 1, например Не - йе с выходной мощностью излучения 10 - 50 мВт. С помощью расщепителя 3 получают два параллельных луча, Системой объективов лучи фокусируются нв поверхности. исследуемой жидкости, Диаметр лазерных лучей должен быть много меньше длины волны исследуемых поверхностных волн, Оба луча направляются к поверхности под углом О,превышающим угол полного внутреннего отражения, определяемый условиеми з 1 п 01.В качестве другой поверхности раздела используется плоская поверхность тела,прозрачного в спектральном диапазоне иснользуемого излучения,В качестве фотоприемников для регистрации излучения, прошедшего границу раздела фаэ, используют фотоумножитель, например, ФЭУили ФЭУв каждом регистрирующем канале луче). Сигналы с фотоумножителя поступают на запоминающий двухлучевой осциллограф типа С.Измерение производят следующим образом. В систему сообщающихся сосудов заливают исследуемую жидкость, Лазерный луч, расщепленный на два луча, направляют, на поверхность жидкости снизу или на поверхность стеклянной призмы сверху под углом., превышающим угол полного внутреннего отражения, Затем включают ФЭУ и осциллограф. С помощью поршня устанавливают уровень жидкости в измерительном сосуде по достижении необходимого уровня сигнала на осциллографе. Затем с помощью системы возбуждения поверхностной волны получают бегущую поверхностную волну. Излучение, прошедшее границу раздела фаз при появлении волны, модулировано по амплитуде. С помощью расщепителя сканируют один лазерный луч относительно другого для получения ближайших синхронны сигналов на экране осциллографа. Затем измеряют частоту, амплитуду сигнала и расстояние между параллельными лучами, Используя формулы(4), (5), (13), определяют вязкость, волновоечисло и поверхностное межфазное) натяжение,Изучение периодических колебаний возбужденной поверхностной волны дает более точное определение поверхностных свойств границ раздела в отличие от измерения этих же свойств при регистрации рассеянного лазерного излучения от поверхностных тепловых во.н, так как последние представляют собой набор волновых движений с различными волновыми числами и случайными амплитудами.Формула изобретения 1. Способ одновременного определения межфаэного натяжения и вязкости жидкостей, включающий направление лазерного луча на границу раздела двух фаз, его расщепление на два луча и фокусирование их на границу раздела и детектирование отражгнных от нее лучей, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью упрощения и повышения точности определения, отраженные от границы раздела лучи пропускают через прозрачное для лазерного излучения тело с плоской поверхностью, параллельной границе раздела фаэ и расположенной от нее на расстоянии не более длины волны лазерного излучения, причем показатель преломФ ления прозрачного тела превышает показатель преломления фазы, в которой оно расположено, расщепленные лучи направляют к границе раздела фаз под углом Обольшим угла полного внутреннего отражения, на границе раздела фаз возбуждают бегущие поверхностные волны с амплитудой, меньшей расстояния между плоской поверхностью прозрачного тела и границей раздела фаз, изменяют расстояние между расщепленными лучами и определяют минимальное изменение расстояния между ними, при котором достигается синхронное совпадение детектируемых сигналов, по сигналам определяют период Т, круговую2частоту в =,коэффициент затухания у иТЬЬдлину волны А -- ,а коэффициент поСО Юверхностного межфазного натяжения а и вязкость ю жидкости вы .исляют по форму- лам(ф-цд , У 03 Р . 2 4 где Р - плотность жидкости;2 лц = - волновое число;9 - ускорение свободного падения.2; Устройство для одновременного определения межфазного натяжения и вязкости жидкостей. содержащее лазер, фокусирующую оптическую систему, расщепитель лазерного луча и сосуд для жидкости, расположенные по оси лазерного луча, фотоприемники для регистрации лазерных лучей, отраженных от границы раздела фаз жидкости в сосуде, и электронную систему для обработки сигналов с фотоприемников, о т л и ч а ю щ е е с ятем, что оно снабжено расположенным в верхней части сосуда прозрачным для лазерного излучения телом с плоской поверхностью, параллельной дну сосуда, приспособлением для регулирования уровня жидкости в сосуде, причем сосуд для жидкости снабжен генератором бегущих поверхностных волн на границе раздела фаз, расщепитель лазерного луча выполнен в виде сканера, состоящего из полупрозрачного и полностью отражающего зеркала,размещенных параллельно друг другу с возможностью регулирования расстояния между ними, электронная система для обработки сигналов снабжена логарифми ческим усилителем, вход которого соединенс выходами фотоприемников. 3, Устройство по р.2, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что в качестве прозрачного для 10 лазерного излучения тела используют приз1718039 Составитель С.Зуева . Техред М.Моргентал Корректор Э.Лончакова Редактор С.П оизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 10 аказ 873 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета.по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5