Способ измерения толщины тонкого слоя прозрачной жидкости

 

Изобретение относится к оптическим способам измерения толщин слоев прозрачных жидкостей и может быть использован для бесконтактного определения толщин слоев прозрачных жидкостей в лакокрасочной, химической и электронной промышленности, а также в физических и химических приборах. В способе используется явление термокапиллярной конвекции, возбуждаемой лазерным излучением в слое жидкости, приводящее к динамической деформации ее свободной поверхности в виде осесимметричного углубления. Толщина слоя определяется по диаметру интерференционной картины, наблюдаемой на экране, помещенном в поперечном сечении каустики отраженного от углубления луча лазера и имеющей вид концентрических окружностей. Изобретение позволяет повысить точность, упростить схему и процесс измерения и расширить диапазон измерения слоев оптически прозрачных жидкостей на слои жидкости на матовой поглощающей излучение поверхности. 4 ил.

Изобретение относится к оптическим способам измерения толщин слоев прозрачных жидкостей.

Предлагаемый в изобретении способ может быть использован для бесконтактного определения толщины слоев прозрачных жидкостей в лакокрасочной, химической и электронной промышленности, а также в физических и химических приборах.

Подавляющее большинство прецизионных способов определения толщины оптически прозрачных слоев применимы к твердым телам и мало пригодны для жидкостей. Разнообразные способы определения уровня жидкости, как правило, не позволяют измерять слои тоньше 1 мм.

Известен интерферометрический способ измерения толщины оптически прозрачных слоев [1], позволяющий без знания показателя преломления твердого образца определять его толщину в интервале от 1 до 1000 мкм с точностью 0,1-3%. Этот способ трудно применим для жидкостей, поскольку критичен к деформации их свободной поверхности из-за микровибраций. Кроме того, к недостаткам следует отнести сложность установки и трудоемкость процесса измерений.

Известны ультразвуковые способы [2,3] контроля уровня жидкостей в емкостях, позволяющие определять толщину слоев жидкости с точностью до нескольких миллиметров, являющейся для них предельной.

Известен способ [4], использующий детектирование отраженных от поверхности жидкости модулированных с разной частотой тонких световых пучков от вертикальной матрицы световодов. Этот способ некритичен к толщине слоя жидкости в измеряемом диапазоне и имеет точность 2,5 - 5 мкм. Его недостатками являются сложность электронной и оптической схемы, низкая надежность из-за большого числа излучающих элементов, необходимость точной юстировки.

Известен способ [5], в котором на исследуемую гладкую поверхность направляют узкий луч света. При наличии на поверхности прозрачного слоя луч формирует на ней яркую многозональную область, которая считывается удаленным датчиком. Размеры области зависят от толщины слоя. Способ неприменим для измерения толщины прозрачного слоя на матовой (диффузно рассеивающей) твердой поверхности. Кроме того, для измерения толщины тонких слоев жидкости с точностью порядка нескольких микрометров необходим датчик с высокой разрешающей способностью.

Целью данного изобретения является повышение точности, упрощение схемы и процесса измерения, и расширение диапазона измерения слоев оптически прозрачных жидкостей на слои жидкости на матовой поглощающей излучение поверхности.

Поставленная цель достигается путем возбуждения лазерным пучком в слое жидкости фотоиндуцированной термокапиллярной конвекции, вызывающей динамическую деформацию ее свободной поверхности в виде осесимметричного углубления, а толщина слоя определяется по диаметру интерференционной картины [6] , наблюдаемой на экране, помещенном в поперечном сечении каустики отраженного от углубления луча лазера, и имеющей вид концентрических окружностей.

Описываемый способ поясняется на чертеже, где показана его принципиальная схема.

Здесь 1 - лазер, 2, 3 - зеркала, 4 - экран, 5 - измеряемый слой жидкости, 6 - поглощающая излучение подложка.

Сущность предлагаемого способа состоит в следующем. При поглощении излучения лазера подложкой происходит локальное повышение температуры на свободной поверхности слоя, вызывающее уменьшение поверхностного натяжения в зоне падения луча. На свободной поверхности возникает центробежное поле касательных сил. Благодаря вязкости их действие приводит к образованию конвективного вихря внутри жидкости, ее уносу из нагреваемой области и образованию термокапиллярного углубления, фиг. 2. Отраженный от углубления лазерный пучок проецируется на экран, помещенный в поперечном сечении его каустики. На экране возникает интерференционная картина - термокапиллярный отклик [6], которая в случае однородного слоя жидкости имеет вид концентрических окружностей, фиг. З. При постоянной мощности лазера и неизменном расстоянии от слоя до экрана диаметр отклика является функцией теплопроводности подложки, физических свойств жидкости и толщины ее слоя. Для любой системы жидкость/подложка может быть построен график зависимости диаметра отклика от толщины слоя жидкости, в дальнейшем использующийся как калибровочный в бесконтактных измерениях.

Пример. На фиг.4, показаны зависимости диаметра термокапиллярного отклика от толщины слоя на карболитовой подложке для следующих жидкостей 1 - бензиловый спирт, 2 - бутанол-1, 3 - ортоксилол, 4 - октан, при температуре жидкости 20±1^oC, мощности He-Ne лазера 5,5 мВт и расстоянии от поверхности жидкости до экрана 2,2 м.

Для приведенных веществ, кривые с увеличением толщины слоя сходятся и при толщине 850 мкм уже неразличимы. Дальнейшее увеличение толщины слоя не вызывает изменения отклика. Такое поведение объясняется тем, что исследованные жидкости прозрачны на длине волны 633 нм и излучение He-Ne лазера поглощается не в их объеме, а поверхностью подложки. В толстых слоях мощность лазерного излучения рассеивается, не создавая на поверхности градиента температур, достаточного для возбуждения термокапиллярной конвекции. Диаметр отклика, в этом случае, соответствует отражению от плоского, не деформированного конвекцией, зеркала жидкости.

С уменьшением слоя жидкости крутизна градуировочного графика возрастает, следовательно, возрастает и точность определения толщины слоя. Когда толщина пленки становится меньше некоторого критического значения, происходит ее разрыв. В области толщин, близких к разрыву, точность достигает максимального значения порядка 1 мкм. Для октана на карболитовой подложке при мощности He-Ne лазера 5,5 мВт критическая толщина составляет ≈370 мкм, а для бензилового спирта ≈180 мкм, что объясняется различием их вязкостей (0,77 и 5,22 сСт соответственно). Если толщина слоя жидкости находится в оптимальном диапазоне (например, для бензилового спирта 200 - 400 мкм, для октана 380-600 мкм), погрешность составляет 0,25-1,5%. При уменьшении мощности лазера диапазон оптимальных толщин смещается к более тонким слоям, при увеличении мощности наоборот. Верхняя граница толщин, измеряемых предлагаемым способом, ограничена условием капиллярности слоя^* жидкости и составляет около 1000 мкм. Нижняя граница определяется толщиной разрыва пленки жидкости и может достигать 50 мкм [5].

^*К капиллярным относят слои, для которых статическое число Бонда Bo = ρgh²/σ<<1, где ρ - плотность жидкости, σ - ее поверхностное натяжение, h -толщина слоя, g - ускорение свободного падения.

Таким образом, предлагаемый способ, отличаясь существенной простотой и надежностью, обладает следующими преимуществами. Измерения производятся бесконтактно, оптическая схема не нуждается в точной юстировке и не требует сложного электронного оборудования. Способ позволяет получать высокую точность измерений толщины тонких слоев прозрачных жидкостей как на гладкой (т.е. глянцевой), так и на матовой твердой поверхности в диапазоне толщин, недоступном большинству других известных способов.

Источники информации 1. А.с. N 1002829, G 01 В 9/02, 1983, БИ N 9.

2. А.с. N 418737, G 01 F 23/28, 1974, БИ N 9.

3. А.с. N 430286, G 01 F 23/28, 1974, БИ N 20.

4. А.с. N 495541, G 01 F 23/22, 1975, БИ N 46.

5. US 5541733 A (National Research Council of Canada), G 01 В 11/06, 30.07.1996.

6. Bezuglyi B.A. PhD Thesis. Moscow State University. Moscow, 1983.

Формула изобретения

Способ измерения толщины тонких слоев прозрачной жидкости, включающий ее облучение лазерным пучком, создание области возбуждения, по которой судят о толщине слоя жидкости, отличающийся тем, что область возбуждения создается в виде фотоиндуцированного термокапиллярного конвективного вихря, приводящего к динамической деформации ее свободной поверхности в виде осесимметричного углубления, а о толщине слоя судят по диаметру интерференционной картины, наблюдаемой на экране, помещенном в поперечном сечении каустики отраженного от углубления луча лазера.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4