Способ определения поверхностного натяжения жидкостей

 

Использование: в измерительной технике для определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости. Сущность изобретения: способ определения поверхностного натяжения жидкостей включает формирование пленки жидкости на рамочном держателе, размещение на ней гибкой нити в виде петли, прокалывание пленки петли и суждение о величине поверхностного натяжения по деформации нити. При этом нить выполняют из электропроводной резины и измеряют изменение электрического сопротивления нити до и после прокаливания пленки, по величине которого определяют коэффициент поверхностного натяжения жидкости. 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано на обогатительных фабриках с мокрыми способами обогащения для автоматического управления технологическими процессами флотации, тяжелосредной сепарации и др.

Известен способ определения коэффициента поверхностного натяжения жидкостей, заключающийся в том, что формируют каплю жидкости на кольцевом держателе, возбуждают вынужденные капиллярные колебания жидкости на кольцевом держателе, измеряют частоту вынуждающей силы, измеряют амплитуду колебаний и по резонансному увеличению амплитуды определяют собственную частоту основной гармоники колебаний, в котором для повышения точности измерения путем исключения ошибок, связанных с возникновением нескольких гармоник колебания возбуждают переменным электрическим полем, создаваемым с помощью двух цилиндрических электродов, расположенных на оси кольцевого держателя, причем диаметр цилиндрических электродов и их расстояние от поверхности капли не превышает половину диаметра капли [1].

Недостатками известного способа являются низкая точность из-за малой чувствительности и низкая надежность работы из-за высокой сложности, а также дороговизна реализации способа.

Известен способ определения поверхностного натяжения жидкостей, включающий формирование пленки жидкости на рамочном держателе, размещение на ней гибкой нити в виде петли, прокалывание пленки и сужение о величине поверхностного натяжения по деформации нити [2].

Недостатком известного способа является низкая точность из-за малой чувствительности и сложность определения величины деформации нити.

Целью изобретения является повышение точности за счет увеличения чувствительности при одновременном упрощении определения деформации нити.

Поставленная цель достигается тем, что в способе определения поверхностного натяжения жидкостей, включающем формирование пленки жидкости на рамочном держателе, размещение на ней гибкой нити в виде петли, прокалывание пленки внутри петли и сужение о величине поверхностного натяжения по деформации нити, нить выполняют из электропроводной резины, измеряют изменение электрического сопротивления нити до и после прокалывания петли, по величине которого определяют коэффициент поверхностного натяжения жидкости.

На фиг. 1 схематически показано устройство для реализации способа определения коэффициента поверхностного натяжения жидкостей; на фиг. 2 - устройство в работе.

Устройство для определения коэффициента поверхностного натяжения жидкостей содержит жесткий держатель 1, выполненный, например, в виде квадратной рамки, петлю 2 из нити электропроводной резины, концы 3 и 4 которой соединены со входами омметра 5. Концы 3 и 4 петли 2 прикреплены к изоляционной пластинке 6, которая закреплена на держателе 1. С помощью пластинки 6 концы нити 3 и 4 изолированы друг от друга.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Держатель 1 с петлей нити 2 окунают, например, вертикально в контролируемую жидкость и вынимают из жидкости. При этом на держателе образуется пленка жидкости. Теперь прокалывают пленку внутри петли 2 нити. Пленка жидкости 7 снаружи петли нити будет сокращаться и равномерно растянет петлю нити 2, образовав нитяное кольцо, как показано на фиг. 2. Обоснование возможности определения коэффициента поверхностного натяжения жидкостей по величине измеренного омметром 5 электрического сопротивления R петли нити 2. Обозначим: l - начальная длина нерастянутой нити 2, К - коэффициент упругости (жесткости) нити 2, σ - коэффициент поверхностного натяжения контролируемой жидкости, ρ - удельное сопротивление нити 2, S - поперечное сечение нити 2.

После прокалывания пленки жидкости внутри петли нити 2 пленка растянет нить на Δ l под действием сил поверхностного натяжения пленки с обеих сторон и нить растянется в окружность, как показано на фиг. 2. Нить будет находиться в равновесии, когда силы поверхностного натяжения пленки жидкости уравновесятся силами растяжения нити 2 из электропроводной резины.

Для увеличения радиуса окружности от начального r= до конечного R = пленка жидкости при уменьшении своей площади на Δ П совершит работу сил поверхностного натяжения А_пн=2 σ Δ П=2 σ (π R²- π r²)= = 2 π σ [(l+ Δ l)²-l²] (4 π ²)^-1= = σ (2lΔ l+Δ l²) (2 π)^-1. (1) Выполненная пленкой работа уйдет на растяжение нити 2 на Δ l, когда нить согласно закону Гука растянется с силой F, равной F=K Δ l. (2) Работа по растяжению нити 2 на величину Δ l с конечной силой F равна A_р= FΔl= KΔl². (3) При растяжении нить 2 работает в пределах упругих деформаций, когда объем нити V остается практически постоянным V=S(l+ Δ l)=const, откуда S = , так как коэффициент Пуассона электропроводной резины в пределах упругих деформаций близок к 0,5.

Применив к растяжению нити и сокращению пленки закон сохранения энергии, то есть приравняв А_пн=А_р, получим = KΔl². (4)
Определим σ из уравнения (4)
σ = = . (5)
Известно, что сопротивление любого проводника, каковым является и нить из электропроводной резины, пропорционально ρ и (l+ Δ l) и обратно пропорционально
R_o= ρ = . (6)
Анализируя (5) видим, что с ростом σ почти прямо пропорционально увеличивается удлинение нити Δ l, так как относительное увеличение числителя значительно больше роста знаменателя. Из (6) следует, что электрическое сопротивление R_o нити увеличивается с ростом ее длины (l+Δ l) по квадратичному закону. Поэтому с ростом σ сопротивление увеличивается быстрее чем по линейному закону.

Пример реализации способа. Пусть, например, измеряется коэффициент поверхностного натяжения смеси эфира с этиловым спиртом и жирами (промежуточный продукт производства эфира) в пределах от 20 дин/см до 45 дин/см. К нити равно 15,92 дин/см, π К=50 дин/см, 2l=10 см. Тогда с изменением σ от 20 до 45 дин/см Δ l изменится от 6,67 до 90 см, а сопротивление нити R_o изменится от 136,2 до 9025 м. Промежуточные значения приведены в таблице.

Видно, что при изменении коэффициента поверхностного натяжения в 2,25 раза сопротивление нити, то есть показания омметра 5, увеличатся в 66,26 раза. Столь резкого увеличения чувствительности к коэффициенту поверхностного натяжения не обеспечивает ни один из известных методов определения коэффициента поверхностного натяжения.

Таким образом, после прокалывания пленки внутри петли нити 2 достаточно измерять омметром 5 сопротивление нити 2 и по показаниям омметра определить коэффициент поверхностного натяжения. Для приведения в однозначное соответствие показаний омметра со значениями шкалу омметра градуируют. Методика градуировки может быть любой из известных, например, по методу наименьших квадратов.

Способ имеет существенные преимущества по сравнению с известными: увеличена точность определения коэффициента поверхностного натяжения за счет резкого повышения чувствительности, упрощен способ за счет применения простого и надежного измерения сопротивления нити, повышена надежность способа по внезапным отказам. Одновременное повышение точности и упрощение свидетельствуют о преодолении в способе технического противоречия.

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ЖИДКОСТЕЙ, включающий формирование пленки жидкости на рамочном держателе, размещение на ней гибкой нити в виде петли, прокалывание пленки внутри петли и суждение о величине поверхностного натяжения по деформации нити, отличающийся тем, что нить выполняют из электропроводной резины, измеряют изменение электрического сопротивления нити до и после прокалывания пленки, по величине которого определяют коэффициент поверхностного натяжения жидкости.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3