Способ определения коэффициента поверхностного натяжения жидких сред

 

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ЖИДКИХ СРЕД, заключающийся в возбуждении капиллярной волны на поверхности жидкости и определения длины капиллярной волны, по которой вычисляют поверхностное натяжение, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения, на поверхность жидкости направляют монохроматический световой пучок, а определение длины капиллярной волны осуществляют, измеряя расстояние между двумя максимумами освещенности в дифракционной картине на экране, расположенном параллельно поверхности жидкости.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (191 (11) З(511 G 01 N 13/02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ / "

Н ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

flO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3540295/24-25 (22) 18.01.83 (46) 15.11.84.Бюл.У 42 (72) И.Л.Мархасин, В.Д.Назаров, А.Г.Тихомиров н Н.К,Тихомирова (71) Уфимский нефтяной институт (53) 532,64 (088, 8) (56) 1. Адам Н.1:. Физика и химия поверхностей. ОГИЗ, М,-Л.,1947„c.492, 2. Лабораторный практикум по физике. Под ред. А,С.Ахматова. М, "Высшая школа", 1980, с.364 (прототип). (54) (57) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ЖИДКИХ СРЕД, заключающийся в возбуждениии капиллярной волны на поверхности жидкости и определения длины капиллярной волны, по которой вычисляют поверхностное натяжение, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности определения, на поверхность жидкости направляют монохроматический световой пучок, а определение длины капиллярной волны осуществляют, измеряя расстояние между двумя максимумами освещенности в дифракционной картине на экране, расположенном параллельно поверхности жидкости. х,у (— -)Ш

1 I } 24

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в химической, нефтеперерабатывающей, металлургической промышленности, а также в практике научных исследований при определении поверхностного натяжения жидких сред (расплавов, нефтей и нефтепродуктов с добавками поверхностноактивных веществ и без них) динами- 10 ческим методом капиллярных волн.

Известен способ определения коэффициента поверхностного натяжения жидкостей, заключающийся в возбуждении распространяющейся капиллярной волны на поверхности жидкости и измерении скорости распространения Cl j.

Недостатком способа является необходимость использования сложной 2б стробоскопической техники для измерения скорости распространения волны.

Наиболее близок к предлагаемому способ определения коэффициента по. верхностного натяжения жидких сред, 25 заключающийся в возбуждении капиллярной волны на поверхности жидкости и определении длины волны, по которой вычисляют поверхностное натяжение j2}. Капиллярные волны возбуждают с помощью вибратора, а длийу волны измеряют с помощью микроскопа. Коэффициент поверхностного натяжения расчитывают по формуле 9

6= — „,г рл (1) 35 где f — частота возбуждаемых колеба1, нии, с ; р — плотность жидкости, кг/м ;Л вЂ” длина капнллярной волны,м.

К недостаткам способа относится большая погрешность измерения длины 40 волны, обусловленная сложностью фиксирования под микроскопом точного местоположения максимума волны. Это приводит к большой ошибке определения 6. 45

Цель изобретения — повышение точности определения коэффициента по1 верхностного натяжения.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу определения коэффициентов поверхностного натяжения жидких сред, заключающемуся в возбуждении капиллярной волны на поверхности жидкости и определении длины во,ны, по которой вычисляют поверхностное натяжение, на поверхность жидкости направляют монохроматический световой пучок, а определение

201 2 длины капиллярной волны. осуществляют, измеряя расстояние между двумя маКсимумами освещенности в дифракцион-. ной картине на экране, расположенном параллельно поверхности жидкости.

Проведенные теорнтические и экспериментальные исследования показывают, что бегущая капиллярная волна представляет собой фазовую и дифракционную решетку, коэффициент пропускания которой можно записать в виде („з,!=erpjj+вю(" (ъ;ч,tJ)) < где хну - координаты точки на поверхности капиллярной волны; ш — параметр, определяющий глубину модуляции;

v — скорость распространения капиллярной волны.

Если на дифракционную решетку перпендикулярно ее поверхности падает плоская световая волна

E=E erp(- („ -, ) (3) где Ео- круговая частота зондирующего излучения;

k - -волновой вектор, то выражение для интенсивности дифрагированного излучения в зоне дифракции можно представить в виде где Л -. длина волны -зондирующего излучения;

Š— расстояние от поверхности жидкости до экрана, на котором наблюдается дифракционная картина; координаты точки наблюдения на экране; функция Бесселя q-ro порядКа"

У линейный размер дифракцион" ной решетки.

Из уравнения (4) видно, что расстояние между нулевым максимумом и максимумом q-ro порядка составляет величину (5) .

С помощью этого выражения можно вычислить величину Л, подставив ко-. торую в формулу (1), получают (7) (8) (9) 3 11242

4 = (1, il Z f Р—

1 3 3 3 2

27 3

В случае справедливости выражения (3) погрешность в определенной величине поверхностного натяжения определяется погрешностью измерения расстояния между нулевым и (1-м максимумами

3й

Измерение коэффициента поверхностного натяжения жидкости проводится следующим образом.

На исследуемую жидкость воздейст- 15 вуют магнитострикционным вибратором, возбуждая на поверхности жидкости капиллярную волну. На возбужденную. поверхность перпендикулярно или под углом направляют монохрома- 2О тический пучок . света и регистрируют расстояния между дифракционными максимумами на экране, Пример 1. Исследование поверхностного натяжения воды. 25

Жидкость термостатируют при 20 и 130 С и давления 0,4 MIIa. На поверхности воды под воздействием магнитострикционного вибратора на частоте f 50 кГц возбуждается капил- Зб лярная волна. На возбужденную поверхность воды через прозрачное окошечко направляют перпендикулярно луч гелий-неонового лазера (3 = 632,8 им).

Дифракционная картина наблюдается на экране, помещенном на расстоянии Z - =200 0 см от поверхности жидкости. Для воды при 20 С и нормальном давлении измеренное расстояние между максимумами нулевого и третье- о го порядков U = 6,685 см. Для воды при 130 С и давления 0,4 МПа—

7,460 см. Погрешность в определении ! расстояния у вызвана ошибкой в измерении максимума -освещенности и при использовании координаточувст вительно"o фотоприемника типа

III1I92I не превышает 10 мкм.

Величина поверхностного натяжения

Ь=--(5. О ) (5ЭВ,О)-3 (Ь,32Е О J.23/÷3 т.е. 72,75 мН/м в первом случае и

52,34 мН/м при 130 С и повышенном давлении. Относительная погрешность в определении 4 в обоих случаях 55 !

56/6 = 4 . 1О 1..

Значения коэффициентов поверхностного натяжения воды и абсолютные

01 4 погрешности приведены в таблице !.

Пример 2. На этой же установке (f = 50 кГц, 7(632,8 нм) измерялся коэффициент поверхностнога натяжения нефтепродуктов.

Однако в отличие от воды нефтепродукты, как правило,, являются непрозрачными, поэтому дифракционнач .картина наблюдалась в отраженном свете на экране, отстоящем от поверхности жидкости на расстоянии 200,0 см. (Функция распределения интенсивности света на экране имеет вид а

)(хд- ) (— ), " ) Расстояние между максимумами

q+ -го и q -го порядков связано с

I длиной капиллярной волны выражением: 1(1 - с Л 2/ Я.

Отсюда

3 2

1(1,Л2) ))

6 (10)

2У 3

Результаты эксперимента также занесены в таблицу.

Из приведенных данных следует, что использование предлагаемого способа обеспечивает точность измерений, большую по сравнению с известными способами вплоть до трех порядков.

При использовании прототипа, когда погрешность обусловлена неспособ99 ностью регистрировать различия между точкой максимального смещения стоячей волны (пучностью) и точкой, в которой амплитуда смещения составляет 099 + 0995 от максимальной, ошибка измерений длины капиллярной волны дЛ = -2 — -et.csin ЦЭ5!

2ьч (3I . 1Л 2 1 2T(а относительная погрешность в определении коэффициента поверхностного натяжения жидкости из уравнения (I) 90«- 0(9- «r«Si«095) (!2)

Для случая, когда измеряются раестояния между пучностями, отстоящими друг от друга на 3 полуволны

0 !!- «rcSin 090j-01 ()>) 1Е24201

Образцы

73,0

Вода (C = 20ОС, Р = О,i МПа) Вода (t = 130 С, P = 0,4 МПа) 3 7,460 52,34

0,03

30

Нефть, скважина 11 613

Арланского месторождения

Нефть, скважина У 610 Арланского месторождения

9,496 25,38 0,01

Нефть деасфальтированная, .скважина У 613 Арланского месторождения

Нефть, скважина N 2219

Туймаэинского месторождения

Составитель А.Кощеев

Техред Л.Коцюбняк

РедактЬр Л.Пчелинская

Корректор Г. Решетник

Подписное

Заказ 8271/33 Тираж 822

ВНИИПИ Государственного комитета СССР ,по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Филиал ППП "Патент", r.Óæãoðîä, ул.Проектная, 4

Значения коэффициентов поверхностного натяжения различных жидкостей и погрешности измерений, полученные при измерении расстояния между пучностями, отстоящими на 3 полуволны, занесены в таблицу.

Способ удобен и непродолжителен, что обеспечивает возможность исследования кинетики процессов, не требует помещения жидкости в специальные кюветы, т,е. обеспечивает возможность измерения коэффициента поверхностного натяжения как на малых, так и на больших объемах исследуемой жидкости, находящихся в естественных резервуарах.

3 6,685 72,75 0,03

2 9,109 28,76 0,01

2 9,832 22,87 0,01

2 9,013 29,68 0,01