автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Разработка метода и прибора для измерения поверхностного натяжения растворов поверхностно-активных веществ

ІВАНО-ФРАНКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ НАФТИ І ГАЗУ

На правах рукопису ВИТВИЦЬКА .ЛІДІЯ АНДРІІВНА '

РОЗРОБКА МЕТОДУ ТА ПРИЛАДУ ДЛЯ ВИМІРЮВАННЯ ПОВЕРХНЕВОГО НАТЯГУ РОЗЧИНІВ ПОВЕРХНЕВО-АКТИВНИХ РЕЧОВИН

05.11.13. - Прилади та методи контролю захисту . навколишнього середовища, речовин,

матеріалів та виробів

АВТОРЕФЕРАТ дисертації на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук

Івано-Франківськ - 1996

Дисертацією є рукопис ' •

Є

Робота виконана в , Івано-Франківському державному технічному університеті нафти 1 газу на кафедрі мйтодів та приладів контролю якості .

Науковий керівник: доктор технічних наук, •

професор Кісіль Ігор Степанович

Офіційні опоненти: доктор хімічних наук,

професор Гуцуляк Борис Михайлович

кандидат технічних наук, .

'. доцент Теплш Зеновій Миколайович

. . V .

Провідна організація: центральна науково-дослідна лабораторія . . . АТ "УкрнаФта’Ч Івано-Франківськ)

Захист відбудеться ^ 1ЯЯ6 року ' о. Ж .гол. на

засіданні спеціалізованої вченої ради К09.02.03 в Івано-ФранкІвському державному технічному університеті нафти 1 газу за адресою: 284014,' м. Івано-Франківськ, вул. Карпатська, 15. • . • - ' • _ '

• 3 дисертацією можна ознайомитися в* бібліотеці Іва-

но-Франківського державного технічного університету нафгги 1 газу. '

Автореферат розісланий . 23_0{~> __ 1996 р.

Вчений секретар ,

спеціалізованої вченої ради канд. техн. наук, доцент

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ „ Актуальність роботи. Одним Із важливих показників якості розчинів поверхнево-активних речовин СПАР) є величина поверхневого натягу (ПН) на границі розділу Фаз. При цьому при контролі якості ПАР необхідно визначати як статичні, рівноважні, так 1 динамічні, змінні в часі, коли ще відбувається процес адсорбції, значення ПН. Незважаючи на 'велику кількість методів визначення ПН, всі вони відносяться до непрямих методів 1 пов’язані або з руйнуванням поверхні розділу Фаз, або з вимірюванням в дуже малому об'ємі СкраплО рідини, шо в значній мірі впливає на точність- вимірювання, особливо при дослідженні розчинів ПАР, де похибка досягає 40Х. Це пояснюється тим, то при руйнуванні поверхні порушується адсорбційна рівновага, 1 для її відновлення до попереднього рівня необхідний певний час. Оскільки цей час залежить від багатьох чинників, то визначити його'з достатнім ступенем точності не є можливо. При застосуванні методів, коли досліджується тільки крапля розчину, ПН якого вимірюється, концентрація ПАР 1 час встановлення рівноважного значення натягу в краплі може відрізнятися від. аналогічних характеристик того ж розчину більшого об'єму.

Вишенаведені докази вказують, на необхідність створення приладів для вимірювання як рівноважного, так і динамічного значення поверхневого натягу СРПН 1 ДПН) без руйнування поверхні розділу Фаз і без дослідження краплі рідини, як-1 дозволили б швидко 1 з високою точністю проводити вимірювання в автоматичному режимі без необхідності високої кваліфікації обслуговуючого персоналу. •

Мета 1 задачі досліджень. ■ Метою роботи є розробка методу 1 приладу для вимірювання ПН як чистих рідин, так І розчинів ПАР без руйнування поверхні розділу Фаз. Досягнення поставленої мети потребує вирішення таких задач:

1. Обгрунтувати вибір методу витягування кільця для вимігкван-ня ДПН та РПН рідин.

2. Розробити та проаналізувати математичну модель процесу підйому кільця.

3. Отримати аналітичні залежності величини ПН від значення об'єму піднятої кільцем рідини І висоти його підняття та різниці питомих ваг середовищ, поверхня розділу яких досліджується.

4. Обгрунтувати вибір оптимальним розмірів кільця 1 посудини з досліджуваною рідиною.

5. Проаналізувати вплив на величину ПН'зміни площі досліджуваної поверхні при витягуванні кільця.

6. Розробити прилад, який реалізував би метод витягування кільця. ?. Здійснити теоретичні 1 експериментальні дослідження похибок приладу та його випробування.

Наукова новизна отриманих результатів визначається такими основними положеннями:

1. Розроблені математичний опис конфігурацій внутрішнього і зовнішнього менісків, а також методика 1 програма чисельного розрахунку параметрів менісків 1 координат ліній контакту рідини з поверхнею кільця на різних стадіях його підняття.

2. Розроблені методика 1 програма розрахунку об’єму піднятої кільцем рідини в залежності від положення кільця відносно нульового рівня для різних значень капілярної сталої. .

3. Отримані залежності величини ПН від об'єму піднятої рідини

1' положена кільця, які дозволяють для заданих значень питомих ваг двох середовшц. поверхня розділу яких досліджується, розрахувати величину ПН за виміряними значейнями висоти підняття кільця та прикладеної до нього' сили до досягнення максимуму останньої. Це дає можливість здійснювати процес вимірювання без відриву кільця від поверхні розділу фаз, тобто без її руйнування. V . . , ' '

4. Визначено критерії і обгрунтовано вибір діапазону оптимальних розмірів кільця і посудини з досліджуваною рідиною.

5. Розроблена методика і отримані величини поправок для розрахунку зкоректованого значення ПН, яке враховує зміну площі .меніскової поверхні при витягуванні кільця.

Новизна підтверджена позитивними рішеннями на видачу двох патентів України.

Практична цінність роботи полягає в розробці приладу ВПН, в якому реалізований метод вимірювання ДПН 1 РПН як чистих рідин, так і розчинів ПАР -Зез руйнування поверхні розділу Фаз.

Діапазон вимірювання вказаних параметрів від 0,1 мЧ/м до 100 мН/м дозволяє забезпечити проведення необхідних вимірювань для досліджень в області колоїдної хімії 1 фізико-тех-нічної механіки, а також управляти технологічними процесами з застосуванням розчинів ПАР.

Pgan 1 _зація._£Оботи. Розроблений 1 виготовлений прилад

пройшов випробування а лабораторіях фірми "Барва" та виробничого управління каналізаційного господарства ’’Екотехпром” (м.Івано-Франківськ). Прилад переданий для тимчасового користування управлінню "Екотехпром”.

Результати наукових досліджень використовуються в . навчальному' процесі на кафедрі методів та. приладів контролю якості ІФДГУНГ. • .

Апробація роботи. Основні результати дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на наукових семінарах кафедри методів 1 приладів контролю якості С 1993„19С4,1995.1996 р.) на науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу Івано-Франківського державного університету нафти і газу (1994, 1995, 1996 p.p.), на конференції " Материалы комплекса научных и- научно-технических мероприятий стран СНГ”.

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 9 друкованих праць, в тому числі отримано позитивні рішення на видачу двох’ патентів на винаходи України. .

Структура та об’єм роботи. Дисертація складається із вступу, п’яти розділів 1 висновків, викладених на 147 стор. машинописного тексту, 31 рисунку. 1 таблиці, списку використаної літератури із 140 найменувань 1 12 додатків.

На захист виносяться наступні, наукові положення:

1. Методика й . програма чисельного розрахунку параметрів

менісків. ,

2. Спосіб визначення поверхневого натягу за виміряним значенням прикладеного до кільця зусилля і заданій висоті його підняття без відриву від поверхні розділу Фаз.

3. Методика вибору оптимальних розмірів кільця Г посудини з досліджуваною рідиною.

4. Методика і результати розрахунку поправки на зміну площі меніскової поверхні.

5. Принципові схемні і конструктивні рішення, закладені в основу розробленого приладу.

6. Методика теоретичних 1 експериментальних досліджень похибок приладу. .

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ У вступі обгрунтована актуальність дисертації, сформульована мета і задачі роботи, наукова новизна 1 практична цінність, відображені основні результати роботи.

В першому розділі обгрунтована необхідність вимірюпання

ДПН 1 РПН розчинів ПАР, виконаний огляд літератури по методах визначення ПН рідин, показана доцільність використання методу відриву кільця для розробки на його основі методу, який забезпечував би проведення вимірювання без руйнування поверхні розділу фаз, поставлена задача даної роботи'. .

Контроль ПН багатьох видів ПАР в процесі їх виробництва і використання є важливою техніко-економічною задачею, яка зумовлена як високою ціною отриманим ПАР, так 1 широким застосуванням в багатьом галузям господарства. Причому, найбільший ефект від використання ПАР в будь-якому технологічному процесі досягається при дотриманні оптимальної II концентрації в розчині. Визначити то концентрацію можна шляхом дослідження залежності ПН розчину від часу Існування поверхні розділу фаз, тобто знаходження ДПН. Чим більш поверхнево-активнішою є ПАР. тим швидше 1 при менших II концентраціях в розчині досягається рівноважне значення ПН. ‘ •

Проведений аналіз існуючих методів для вимірювання ПН ' рідин показав, що в даний час ■відсутні засоби, які дозволяли б проводити в автоматичному решмі' високоточні вимірювання ДПН та РПН без руйнування поверхні розділу Фаз 1 без дослідження •краплі рідини. Найбільш придатними для удосконалення з точки зору реалізації наведених вимог є-методи витягування і відриву від поверхні рідини різних' тіл ’правильної’ геометричної Форми. В основі ішх методів лежить існування залежності’ між величиною ПН 1 максимальним значенням сили, яка вертикально прикладена до тіла для його витягування з рідини. В залежності від Форми застосовуваного твердого тіла розрізняють методи витягування вертикального та горизонтального циліндра, кулі, конуса, в пластинки, кільця.' При витягуванні з рідини тіла прикладена сила проходить через максимум і далі зменшується аж до руйнування меніска. Якщо для вимірювання сили використовуються ваги, які працюють за відхиленням, тобто сила визначається як функція зміщення деякого пружного елемента, то відрив тіла настає одночасно з досягненням максимуму прикладеної сили. При використанні електроваг. в основі яких лежить нульов/й принцип зрівноважування, руйнування меніска 1 відрив від поверхні відбувається за межами- максимуме сили. Це дає можливість відокремити точку максимума сили 1 критичну точку відриву тіла від поверхні. Однак такі вимірювання проводяться на протязі декількох хвилин, шо не дозволяє з достатньою точністо вимірю-

вати ДПН розчинів різник концентрацій. Тому виникає необхідність в розробленні такого удосконаленого методу, який забезпечував би вимірювання без великих затрат часу, тобто без досягнення точки максимуму. Було встановлено, що найбільш придатним для удосконалення є метод витягування кільця, оскільки в порівнянні з іншими вказаними вище методами витягування різних тіл прикладена до кільця сила 1 висота його підняття до руйнування меніска є значно більшими. Крім того,, простота реалізації та зручність обслуговування дає можливість створити прилад, який забезпечував би проведення вимірювання в автоматичному режимі. •

Другий розділ присвячений розробленню математичної моделі процесу підняття кільця при його витягуванні з рідини, отриманню аналітичних залежностей величини ПН від значення об’єму піднятої кільцем рідини 1 висоти його підняття, обгрунтуванню вибору оптимальних розмірів кільця 1 посудини з досліджуваною рідиною, розрахунку поправки на зміну плоті досліджуваної поверхні. . .

' Для розроблення математичної моделі процесу підняття кільця були’поетапно розв'язані такі основні задачі: матема-

тично описані конфігурації внутрішнього (всередині кільця) 1 зовнішнього Сззовні кільця) менісків: визначено координати

ліній контакту рідини з поверхнею кільця; визначено об’єм піднятої кільцем рідини в залежності від положення кільця: визначено з наперед заданою точністю максимальний об'єм піднятої рідини й відповідну висоту підняття кільця при різних значеннях капілярної сталої. '

Для математичного опису профілів менісків було використано рівняння Юнга-Лапласа, яке визначає перепад тиску через меніскову поверхню в будь-якій її точці Сточка С на рис. 1):

де Рр,Рл - величини тисків у веркній 1 нижній Фазах в точці С: Яі.Яг ~ основні радіуси кривизни поверхні в даній точці у взаємоперпендикулярних .січеннях, які згідно рис. 1, визначаються таким чином: ІЇг=Х/ііпУ: 5- довжина дуги

профіля меніска: У - кут, утворений дотичною до поверхні

розділу В певній ТОЧЦІ 1 ПОЗИТИВНИМ напрямком ОСІ X: - різ-

ниця. питомих ваг двох середовищ, поверхня розділу яких досліджується: £ - координата точки С по осі 2: 6 - величина повер-

Рис. 1. Профіль юльця з внутрішнім і зовнішнім менісками.

Рис.2. Функціональна блок-схема приладу ВПН

- s -

хневого натягу. •

. Перевівши всі розмірні величини в безрозмірні шляхом поділу на капілярну сталу б*/й у . взяту у .відповідній Степані, рівняння СІ) було'перетворене до виду:

мт-г-апУ/х. 4 С2) .

Згідно рис.1 була встановлена така залежність між координатами точок поверхні та її кривизною ' .

,сІХ/сИ-аі^, сІЇ/сК-і ¿пЧ>. сз>

Система рівнянь С2), СЗ) описує внутрішній і зовнішній профілі поверхні розділу Фаз. Однак, для випадку зовнішнього проФІл» був врахований від’ємний радіус кривизни $ 1 протилежний, в порівнянні з внутрішнім профілем, напрямок інтегрування дифе-ренційного рівняння С2) С для внутрішнього профілю від осі симетрії до поверхні кільця, для зовнішнього - від кільця до рівня незбуреної поверхні). Тому для зовнішуього профілю в рівняння С2) було введено від’ємну початкову криризну К:

С 4)

№/<fS = -K + i - ünV/X.

Площа меніскової поверхні розраховувалась Інтегруванням

рівняння: _

. Ом - ¿ЛЛ. (5)

Об’єм, утворений обертанням навколо осі 2 кривої профілю внутрішнього або зовнішнього менісків, в диФеренцІйній Формі поданий у вигляді:

’ С6)

dV/cfS- IX2 ііпУ.

і В результаті розв'язку системи рівнянь С2), СЗ), (5).С6)Р яка описує внутрішній меніск, з початковими умовами: X - 0, Sz0 2 - ¿і було отримано для різних значень ZK сімейство кривих. Для вибору одного профілю внутрішнього' меніска необхідно виконання граничних умов: XtVax> R ~ г та 0 < ^ ¿ІЇ/2' Д0 R ~ радіус кільця, г - радіус дроту, з якого виготовлень кільце, за отриманими координатами точок контакту внутрішньої т меніску з поверхнею кільця розраховувалась висота його підняття: ,

h- ¿С/- г соі %. (7>

Параметри зовнішнього меніску були отримані при розв'язуванні системи рівнянь СЗ), С4), (5), (6) з початковими умовами:

Ф-'Ч’г, 2*0, в = 0> 6-0, + %, К* Л + гсобЧ>г

де 0 - крайовий кут змочування рідиною поверхні кільця.

З сімейства кривих, отриманих при задаванні різник значень , вибір кривої профілю зовнішнього меніска здійснювався шляхом перевірки виконання граничних умов К~2^0, V < * а та-

кож з умови максимального асимптотичного наблих&икя кривої до осі X.

Розраховані координати точок дотику внутрішнього та зовнішнього менісків з поверхнею кільця 1 з нульовим рівнем поверхні рідини та об'єми ^ЬнуурРозраховані за Формулою (6), дали змогу розрахувати об’єм рідини, піднятої кільцем, при різних висотах його підняття. Шуканий об’єм є складною фігурою обертання, яка розраховувалась через об'єми більш простих Фігур: . г ■

V= ЇЇ Хт 2с, ~ УЬнцтр ~ ЇЇХт ЇСі + УіоЬй. ~ %Хт (¿с, ~ісг) 4

'[тмьгьт^к^Хс^/зін-їс'Ж +&л+ ш

+ ІЇг)]-'23І [</2Й Ґг(27г"%-%)- Ці г3(сол % - «М % І

В роботі наведена програма з детальним її описом, яка при допомозі ЕОМ реалізує вищенаведений алгоритм розрахунку об’єму піднятої рідини в залежності від висоти підняття кільця. Системи рівнянь, які описують меніски, розв’язувались числовим Інтегруванням за методом Рунге-Кутта, що.забезпечувало високу точність розрахунку. Програма здійснює перегляд" різних значень початкових умов з перевіркою граничних умов 1 розрахунок об’єму піднятої рідини для різних значень висоти підняття аж до досягнення максимального значення об'єму. Введення кожний раз в програму різних значень капілярної сталої а* дало можливість отримати 'у вигляді таблиць даних значення V 1 відповідних значень Ь при різних а?

В результаті Інтерполяції та апроксимації сплайн-функція-ми третього порядку табличних даних була отримана залежність а*« Г(У5 у вигляді многочлена .

а’, б/лу <9>

де коефіцієнти А.В.С. Р розраховані для Фіксованих гноєнь висоти підняття кільця її » 0.25. 0.3...4.5 мм, ;ио відповідає

реальним висотам підняття до досягнення максимального об’єму.

Отримані залежності теоретично обгрунтовують метод, згідно з яким за виміряним значенням об’єму піднятої кільцем

рідини при його витягуванні з неї 1 заданій висоті його підняття до відриву від поверхні розраховується ПН рідини при відомій різниці питомих ваг контактуючих Фаз.

З порівняння ¡сільця з іншими тілами правильної геометричної Форми, які використовуються в методах витягування тіла з рідини, випливає, що саме кільце зазнає найбільшого впливу (деформації) зі сторони меніска, а це Істотно впливає на величину прикладеної сили, причому врахувати цеп вплив' неможливо. Тому доцільніше вибрати такі оптимальні розміри кільця, щоб якомога зменшити його . деформацію. В даній роботі вибрано варіант двох утримуючих ниток, які кріпляться до ' тороїдального кільця у вигляді коромисла. Причому 1 нитки. 1 кільце виготовлені з платинового дроту одного 1 того ж діаметру, завдяки чому залишається незмінним 1 близьким до нуля кут змочування поверхні кільця в місці прикріплення ниток. Граничними умовами для вибору розмірів кільця є необхідність меншої ваги кільця в порівнянні з вагою піднятої ним рідини ( в противному випадку різко знизиться точність вимірювання прикладеної сили, через яку визначається об'єм піднятої рідини), а також досягнення максимуму сили при. висоті підняття більше 2 мм, що продиктовано умовою проведення вимірювання ГІН до досягнення максимуму сили. Згідно з даними вимогами для різник значень капілярної сталої були розраховані вага кільця .1, вага піднятої рідини, а також висота кільця при досягненні максимального об'єму для різних співвідношень радіуса' кільця Я 1 радіуса Дроту г, з якого воно виготовлене. Дані розрахунки дали можливість встановити, що обидві умови витримуються при 40 ^ й/г ^, 70. Тому при. виготовленні кільця зі стандартного платинового дроту радіусом г » 0,25 мм доцільно вибирати радіус кільця в діапазоні 10 < й < 17 мм.

Для вибору оптимальних розмірів посудини з досліджуваною рідиною було визначено умови виникнення "пристінного єФекта". зумовленого взаємодією між собою двох менісків, утворених че->:&з наявність кільця 1 стінки посудини. Оскільки ємність посудини є постійною, то при Достатній близькості один від одного, коли відсутня горизонтальна ділянка поверхні, ці два меніски, накладаючись, змінюють положення рівня, відносно якого ведеться відлік об’єму піднятої рідини. Якщо радіус основи

циліндричної посудини ‘І?пос менший подвійного радіуса кільця, то останнє "прилипає” до стінки. Однак, у випадку великих

розмірів посудини зростають вага посудини з досліджуваною рідиною та габаритні розміри підйомного столика, на якому вона розміщена. Це приводить до складностей і неточностей як при русі підйомного столика, так .і при визначенні висоти його підняття. Тому мінімально допустимим розміром посудини є такий, який забезпечує тільки .зіткнення двох менісків зі спільною лінією контакту, а не їх накладання один на одного. При цьому меніск, утворений між зовнішньою поверхнею КІЛЬЦЯ 1 внутрішньою поверхнею стінки посудини відноситься до одесимет-ричних менісків типу мостика складної Конфігурації з вершиною в точці зіткнення двох менісків С точка А на рис.1). 'Даний мостик у вершині можна розділити на два прості: рідиннийзі сторони кільця і газовий - зі сторони стінки посудини. Для чисельного моделювання профілю мостика при виборі початку координат в його вершині була отримана система рівнянь:. .

<*ЧУе/ 5 + '¿іпУ/Х = І Іі/Йо+ І), '

<ЛХ/о'$--сОбУ, сШсЛ$=ь1гМ. р сіш

з початковими умовами, які визначають координати точки вершини мостика

х*хт, ¿‘о, в*о;- ..

де "плюс" відповідає рідинному, а "мінус” - газовому мостику. йр- радіус кривизни в точці А.- •

Граничні умови були визначені зі співвідношення між кутами кривизни профілю меніска 1 кутами змочування поверхні кільця 6-0 1 стінки посудини Ос ’

В результаті багаторазового розв'язування системи рівнянь С103 для різних радіусів кільця 1 різних кутів змочування стінки отримано графіки залежності КГО, які дозволяють вибрати посудину такого мінімального розміру, при якому ще не буде виникати "пристінний ефект".

В процесі витягування кільця змінюється площа менісково? поверхні, утвореної кільцем, що впливає на загальну площу поверхні розділу Фаз, на якій відбувається адсорбція ПАР. розчиненої в посудині певного об'єму. Пси цьому змінюється кількість адсорбованої речовини, що впливає на величину ПН. З розгляду характерних особливостей утворення поверхневого шару розчинів ПАР і механізму процесу адсорбції було встановлено.

шо зміна величини ПН внаслідок зміни площі меніскової поверхні

де 5М - площа менісків визначалась при різних висотах підняття кільця як сума площ внутрішного та зовнішнього ' менісків, які розраховувались чисельним інтегруванням рівняння С5):

площа вільної поверхні рідини в посудині без кільця, яка визначалась через радіус основи посудини. -

Поправка вноситься в розраховане за вшенаведеною -методикою значення ПН бр для'визначення зкоректованого значення:

ня ПН як чистих рідин, так і розчинів ПАР без руйнування поверхні розяі.'у Фаз С прилад ВПГО.

вузлами якого є: 1 - вузол прецизійного переміщення посудини з досліджуваною рідиною: 2 - вузол вимірювання прикладеного до кільця зусилля; 3 - вузол розрахунку ПН’за отриманими залежностями; ■ 4 - блок живлення приладу. ’

У вузол 1 входить чотириобмотковий кроковий двигун КД, який через передавальний механізм ПМ дискретно переміщує вгору-вниз столик С, на якому помішена посудина П з досліджуваною рідиною. Робота двигуна керується ЕОМ через блок управління двигуном БУД. Блок Ш призначений для передачі- обертово-руху валу двигуна в поступальний рух столика. Датчик нульового положення ДНП призначений для подачі на ЕОМ сигналу яро те, що столик з посудино» знаходиться в крайньому нижньому положенні. ,

сигнал з якого через підсилювач П подається на аналого-цифровий перетворювач АЦП. Датчик МДТ - електровага. створена на базі датчика перепаду тиску, і призначена для вимірювання прикладеного до кільця зусилля. Нитки підвісу кільця К жорстко з’єднані зі штоком (скляною балкою) датчика тиску, напружений стан якого вимірюється ввімкненим в мостову схему тензо-резистором. АЦП перетворює постійну напругу в двійковий код для введення в ЕОМ інформації про прикладене до кільця зусил-

є більш істотною для слабоконцентрованих Сдо IX) розчинів ПАР. Поправка на зміну плоті була розрахована за_ Формулою:

СШ

■ С12)

присвячений розробці приладу для виміршан-

На рис.2 подана функціональна схема • приладу, основними

Вузол 2 складається із модифікованого датчика тиску МЯГ,

ля Р. за яким розраховується об’єм V піднятої рідини за формулою: V » Р/у , де г питома вага рідини, з, поверхні якої витягується кільце. . .

Вузол 3 - це персональна ЕОМ з блоком узгодження БУз, який призначений для забезпечення двохстороннього зв'язку між ЕОМ та іншими блоками. Прилад працює за закладеною в пам'ять ЕОМ програмок^ реалізованою на мові Paskal. Для розрахунку ПН в ЕОМ введені залежності аг= f(V,h) та = fCh) і значення питомих ваг середовищ, поверхня розділу яких досліджується. На екрані дісплея висвічується, інформація про хід виконання програми, а також результати розрахунку ПН та час Існування поверхні розділу Фаз. Робота приладу передбачена в двох режимах: ■ настройки та безпосереднього вимірювання. Настроювання проводиться при відведенні посудини з рідиною в нижнє положення за двома контрольними точками: при мінімальному навантаженні, коли кільце, вага якого'заздалегідь відома, не 'зазнає ніякого додаткового зусилля і при навантаженні, близькому до максимального, коли до кільця підвішується тягарець вагою, яка наближено рівна максимальній вазі піднятої рідини, якщо капілярна стала останньої рівна 7 мм’

В режимі вимірювання Кільце приведене до зіткнення з досліджуваною поверхнею 1 здійснюється спочатку наближений, а потім уточнений розрахунок ПН за закладеними в пам'ять ЕОМ залежностям^2« fCV.h). Наближено значення ПН та висоту підняття кільця hmax ПРЧ максимальному об’ємі піднятої рідини ЕОМ розраховує в момент дотику кільця з досліджуваною поверхнею, коли сигнал на виході датчика МДГ стрибкоподібно зростає під дією сил ПН. В цей час столик, рухаючись угору з крайнього нижнього положення, зупиняється, вмикається відлік часу . Існування поверхні розділу фаз. Уточнене значення ПН визначається при висоті підняття рівній 0.5hmax. При дослідженні розчинів ПАР на цій же висоті з Інтервалом 5 с Проводиться визначення об’єму піднятої рідини 1 розраховується динамічний ПН. Затримка кільця на цій висоті проводиться до тих пір. поки два останні значення не будуть відрізнятися на достатньо малу наперед введену величину, яка буде визначати точність знаходження рівноважного ГИ. Для даного значення вводиться поправка згідно Формули С12).

. Четвертий розліл присвячений аналізу метрологічних характеристик розробленого приладу.

При метрологічних дослідженнях приладу ВПН використаний аетод структурного аналізу, який полягає в розчленуванні сумарної похибки на окремі складові, які визначаються аналітично або експериментально. Всі складові похибки поділені на систематичні та випадкові. Для систейатичних похибок від зміни їлоші меніскових поверхонь, а також вія ненульового кута з йодування розраховані поправки.. Експериментальне дослідження зідхилення дійсних розмірів кільця від заданих Г розрахунок зиникаючої в зв'язку з цим систематичної похибки дали підставу не враховувати дану похибку внаслідок дуже малого її зна-тення. Для всіх решти випадкових складових: похибки каналу

зимірювання прикладеного до кільця зусилля, похибки задавання зисоти підняття кільця, похибки, зумовленої нахилом кільця, тохибки вимірювання питомих ваг досліджуваних 'середовищ, похибки розрахунків теоретично та експериментально визначені закони їх розподілу, розраховані середньоквадратичні відхилення. Розраховане максимальне значення зведеної ' сумарної похибки

становить 1,46%. що дозволяє прилад ВПН віднести до класу точності 1,5. •

П’ятий розділ присвячений.аналізу лабораторних 1 промис-

лових випробувань приладу ВПН. '

-Випробування показали, що при' дослідженні однорідних зідин забезпечується висока точність вимірюваная. Максимальне зідхилення результатів вимірювання 1 довідникових даних не винадить за межі похибки приладу. •

При дослідженні розчинів ПАР були отримані залежності ПН зід часу існування поверхні розділу Фаз б.» ЇХ О 1 залежності ТН від концентрації ПАР в розчині б *= ПХ). Криві 6 = ГС зають можливість визначити той час, за який для даної концентрації може бути досягнене відповідне значення ПН. По отриманих залежностях б » ГСС) можна визначити для певного ПАР кри-

гичну концентрацію міцелоутво^ення. В лабораторії господарства ’’Екотехпром” прилад ВПН використовувався для проведення гкспрес-аналізу стічних вод на предмет розчинення в них різних ТАР.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ

І. Обгрунтована необхідність контролю якості розчинів ПАР як при [к виробництві, так І при застосуванні в багатьох областях нау-ш, в різних галузях народного господарства. Показано, то одним

із основних показників якості ПАР є виміряні величини ДПН та РПН їх розчинів. , ■ .

2. Обгрунтовано необхідність розробки методу вимірювання ДПН 1

РПН розчинів без руйнування поверхні розділу Фаз, а також без дослідження краплі розчину. . t .

3. На основі проведеного аналізу Існуючих методів для вимірювання ДПН 1 РПН чистих рідин та розчинів ПАР теоретично 1 експериментально обгрунтований вибір методу витягування з рідини

кільця для розроблення на його основі удосконаленого методу ripe. . О

цизійного вимірювання ПН в неперервному автоматичному режимі' без руйнування поверхні розділу фаз. ' '

4. На основі аналізу діючої .на кільце з боку рідини сили вста-

новлено, що вр щчина цієї сили, яка залежить від .величини ПН, визначається Формою внутрішнього 1 зовнішнього менісків, утворених навколо кільця, 1 координатами точок їх контакту з повер-. хнею кільця. - .

5. Проведено чисельне моделювання.процесу витягування кільця з рідини, починаючи від моменту дотику кільця до поверхні рідини до моменту досягнення максимального значення прикладеної сили. Це дозволило отримати табличні залежності значень параметрів менісків 1 об'єму піднятої' кільцем рідини від ВИСОТИ ЙОГО підняття для різних значень капілярної сталої.

6. На основі вищевказаних табличних залежностей отримані аналітичні залежності, які дозволяють при відомій різниці питомих ваг досліджуваних середовищ, розраховувати величину ПН за виміряним значенням прикладеної сили 1 заданій висоті його підняття ве"з відриву від поверхні розділу Фаз.

7. Визначено критерії й обгрунтовано вибір діапазону оптимальних розмірів кільця.

8. На основі чисельного моделювання меніскової поверхні типу •

рідинно-газового мостика, утвореного при накладанні менісків від кільця й від стінки посудини з досліджуваною рідиною, отримано залежності мінімально допустимого радіуса посудини від розмірів кільця. . '

9. Розраховано поправку для корекції впливу на величину ПН зміни площі меніскової поверхні при витягуванні кільця.

10. На основі теоретичних розробок створено автоматичний прилад ВПН для вимірювання динамічного 1 рівноважного поверхневих натягів як чистих рідин, так 1 розчинів ПАР.

11. Здійснений теоретичний 1 експериментальний аналіз метро-

яогічних характеристик розробленого приладу БПН. Встановлена можливість 1 запропонована методика виключення систематичним похибок.. В результаті сумування випадкових складових похибок визначено, що клас точності приладу становить 1,5. „ .

12. Проведені лабораторні 1 промислові випробування розробленого приладу ВПН, результати яким підтвердили правильність теоре-гичник розробок. • ' '

Зсновний зміст дисертації відображений в роботах: '

L. Витвицька Л.А., Кісіль І-С. Вимірювання поверхневого натя-'V розчинів поверхнево-активних речовин без руйнування по-зерхні розділу фаз // Контр.-вим. техніка. - 1995. - N51: - С.

І. Витвинкая Л.А.. Кисиль U.C. Метод кольцевой тензометрии для измерения поверхностных свойств растворов // Материалы ком-ілекса научных и научно-технических мероприятий' стран СНГ. -)яесса, 1993. - С. 101. '

ї. Позитивне рішення на заявку 93006207 від 30.09.93. Спосіб іизначення динамічного поверхневого і мі «Фазового натягів роз-іинів поверхнево-активних речовин / Л.А.Витвицька, І.С.КІсІль.-Ірийнято 02.11.95.

І. Позитивне рішення на заявку 94062251 від 28.06.94. Спосіб іизначення рівноважного 1 динамічного поверхневих натягів 'Л.А.-Витвицька, І.С.КІсіль,' А.А.Водник. - Прийнято 02.11.95. і. Метод кільцевої тензометрії для визначення поверхневого на-'ягу рідин без руйнування поверхні розділу Фаз / Витвицька Л.А.. :іс1ль Î.C., Малько О.Г., Бодник А.А.: *Івано-Франк. ін-т. нафти 1 •азу. Івано-Франківськ, 1994. - 21с. : 1л.-Бібліогр. :18 назв. -’кр. - Леп. 15.05.94, Ш88-Ук94. . . ‘ ■ .

’.Витвицька Л.А., Кісіль Î.C. Удосконалений метод вимірювання оверхневих властивостей розчинів ПАР // Тез.и наук.-техн. конФ. роф.-викл. складу Інституту нафти 1 газу. - Івано-Франківськ.

994. - С. 170-171.

. Витвицька Л. А., Бодник А. А*-- Стрілецький Ю. Я. Пристрій для изначення динамічного поверхневого натягу розчинів методом ільця 1 його метрологічний аналіз // Тези наук.-техн. конФ. роф.-викл.складу університету нафти 1 газу. - Івано-Франківськ.

995. - С. 79. ’

. Витвицька Л.А. Вибір матеріалу кільця при кільцевій тензо-етрії розчинів //Тезі' наук.-техн. конФ. проф.-викл. складу ніверситету нафти I газу. - Івано-Франківськ, 1995. - С.80.

. Витвицька Л.А. Вплив зміни площі меніскової поверхні на

точність вимірювання поверхневого натягу розчинів методом кільця// Тези наук.-техн. конф. проф.-викл. складу університету нафти і газу. - Івано-Франківськ. 1896. - С. 89. .

Витвицкая Л.А. Разработка метода и прибора для измерения по-

Диссертация на соискание ученой степени; кандидата технических наук по специальности .05.11.13 - приборы и методы контроля защиты окружагацей среды, веществ, материалов и изделий. Ивано-Франковский государственный технический университет нефти и газа, Ивано-Франковск, 1996. '

Разработан метод и прибор для определения динамического;и равновесного поверхностного натяжения чистых жидкостей или растворов поверхностно-активных веществ, сущность которого состоит в измерении подъемной силы, приложенной к. горизон-. тально подвешенному кольцу при его -движении вверх до момента отрыва от поверхности раздела фаз. •Величина поверхностного натяжения рассчитывается на основании зависимостей натяга от измеренной силы при различных положениях кольца. Произведены метрологический анализ* и испытания прибора. Основные результаты работы изложены в 9 публикациях. .

Vytvitska LA. Elaboration of tha Method and Device for the Measurement of the Surface Tension of Solutions of the Surface-Active Agents. .

The Thesis for the candidate of technical science degree in speciality 05.11.13 - devices and methods to control envlroment, substances, materials and products. Ivano-Franklvsk. Technical University Oil and Gas, Ivano-Franklvsk, 1996.

The method of the determination of static and dynamic surface tension of pure liquids or solutions of surface-actlve-agents is based on the measurement of a upward force exerted on a horlzotally suspended ring, which travel dp the moment of its breaking off from the surface of a phase separation. The magnitude of the surface tension is calculated on the basis of dependences of surface to determined force at various ring positions. Metrologycal analys and testing are present. The malnresult of the thesis are presented in 9 papers.

Ключові слова: динамічний 1 рівноважний поверхневий натяг, меніскова поверхня, поверхнево-активна речовина, кільце.

верхностного натяжения растворов поверхностно-активных веществ.