Способ определения распространения границы смачивания и краевого угла внутри капилляров пористого материала, устройство и автоматизированная система измерения, его реализующие

/ 6 - Краевой угол, р - плотность исследуемой жидкости, г - радиус капилляров пористого материала, Ки - коэффициент испарения, 11 - высота пористого материала, п - вязкость исследуемой жидкости, Ку - коэффициент пропорциональности между средней скоростью исследуемой жидкости в месте испарения и средней скоростью испаряющегося объема в направлении распространения границы смачивания, П - объемная пористость выбирают три последовательно расположенных участка фиксированной площади пористого материала, измеряют время распространения границы смачивания по двум последовательно расположенным выбранным участкам, кроме первого, непосредственно прилегающего к границе контакта с исследуемой жидкостью, определяют величину, пропорциональную2 ки коэффициенту испарения ос Ь , как численное рещение уравнения 21 2 ь ы ь 2 21 2 ь 2 ы ь 2 ехр( И (ъъ,(ыь 2) 0 ехр( И д) ь 2 0 ь ы(2 ьо ы) 11 ы(2 ьо ы)где п, 2 - время распространения границы смачивания на втором Ы и третьем Ь 2 участках пористого материала соответственноЬО, Ш, Ь 2 - длина первого, второго и третьего участков пористого материала соответственно изменяя ЬО, выбирают длину первоначального участка ЬО по постоянству ос и рассчить 1 вают величины косинуса краевого угла со 5 6 по уравнению, определяющему распространение границы смачиваниягде А - текущее время, отсчитываемое от момента достижения границей смачивания участка Ы.2. Устройство для осуществления способа определения распространения границы смачивания и краевого угла внутри капилляров пористого материала, содержащее кювету с исследуемой жидкостью, находящийся с ней в контакте горизонтально расположенный пористый материал, группу электродов, контактирующих с пористым материалом, являющихся датчиками и расположенных в соответствии с тремя выбранными последовательно расположенными участками фиксированной площади пористого материала и подключенными к блоку компараторов, регистрирующему последовательное достижение фронтом распространения жидкости положения электродов, выход которого подключен к блоку определения интервалов времени, регистрирующему время срабатывания датчиков,который соединен с блоком определения минимума, регистрирующим время смачивания двух последних выбранных участков, и блоком определения угла смачивания, выходы которых соединены с блоком индикации.3. Устройство по п. 2, содержащее вторую кювету с исследуемой жидкостью, находящийся с ней в контакте горизонтально расположенный пористый материал, вторую группу электродов, контактирующих с пористым материалом, являющихся датчиками, смещенными относительно первой группы электродов.4. Автоматизированная система измерения в соответствии с п. 2, содержащая ведущий вал для перемотки пористого лентообразного материала, вал-кулачок для погружения части пористого материала в кювету с исследуемой жидкостью.Изобретение относится К измерительной технике, в частности К измерениям времени капиллярного впитывания, угла смачивания и других физико-химических параметров, и может быть использовано для определения оптимальных дозировок коагулянтов и флокулянтов при очистке сточных и природных вод.Известны способ измерения времени капиллярного впитывания и устройства для его осуществления, основанные на измерении времени, необходимого для поглощения жидкости участком фиксированной площади пористого материала посредством капиллярного впитывания из пробы ограниченного объема 1.Недостатком данного способа и основанных на нем устройств является низкая точность измерения времени капиллярного впитывания, обусловленная влиянием испарения с поверхности капиллярного тела. Кроме того, снижение точности измерения вызывается влиянием пористости капиллярного тела, накапливающего исследуемую жидкость и тем самым уменьшающего эффективный объем пробы.Наиболее близкими по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому являются способ измерения времени капиллярного впитывания, заключающийся в измерении времени вертикального подъема жидкости на определенное расстояние из пробы неограниченного объема, и устройство для его осуществления, содержащее бак с пробой,два электрода, фиксирующие тестовый материал и регистрирующие достижение фронтом намокания заданного расстояния 2.Недостатком данного способа является низкая точность, обусловленная влиянием испарения, и малое быстродействие из-за влияния силы тяжести на скорость распространения фронта жидкости.Общим недостатком рассматриваемых способов и устройств является невозможность определения угла смачивания внутри капилляров пористого тела.Задачей изобретения является повыщение точности и быстродействия, а также обеспечение возможности определения угла смачивания.Поставленная задача достигается тем, что в способе определения времени капиллярного впитывания, включающем отбор пробы, погружение части горизонтально расположенного пористого материала в исследуемую среду и измерение времени смачивания участка фиксированной площади пористого тела, дополнительно выбирают три или более последовательно расположенных участков фиксированной площади, измеряют время капиллярного впитывания на каждой из площадей, кроме первой, непосредственно прилегающей к границе с исследуемой жидкостью, по длине трех последовательно расположенных мерных участков и времени смачивания двух последних участков определяют коэффициент испарения, по достижении постоянства величины которого выбирают длину начального участка, по измеренным временам смачивания последовательных участков рассчитывают величину, пропорциональную косинусу угла смачивания, после чего синтезируют уравнение, описывающее распространение границы смачивания.Отличие предлагаемого способа от известных состоит в том, что в него дополнительно введены выбор трех или более последовательно расположенных участков фиксированной площади, для каждой из которых, кроме первой, непосредственно прилегающей к границе с исследуемой жидкостью, измеряются времена капиллярного впитывания определение коэффициента испарения по длине трех последовательно расположенных мерных участков и временам смачивания двух последних участков выбор длины начального участка по постоянству коэффициента испарения расчет величины, пропорциональной косинусу угла смачивания, по измеренным временам смачивания последовательных участков синтез уравнения, описывающего распространение границы смачивания.Сущность способа и реализующих его устройств поясняются на фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3,фиг. 4, фиг. 5, фиг. 6, фиг. 7. На фиг. 1 схематично изображена упрощенная модель элемента измерения. На фиг. 2 приведены аппроксимирующие и экспериментальные зависимости границы смачивания от времени распространения для различных исследуемых растворов.На фиг. 3 Изображен алгоритм выбора ЬО И расчета Ки. На фиг. 4 представлена структура первичного измерительного элемента, поясняющая процесс выбора ЬО. На фиг. 5 приведена функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ. На фиг. 6 приведена функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ при помощи двух групп измерительных электродов и двух кювет с исследуемой жидкостью с уточненным определением начального участка. На фиг. 7 приведен пример автоматизированной системы, обеспечивающей измерение времени капиллярного впитывания и угла смачивания в технологическом процессе.На модели элемента измерения, представленной на фиг. 1, показаны кювета с анализируемым веществом 1, пористый материал 2, фронт распространения жидкости 3, электроды 4, анализируемая жидкость 5, граница фронта распространения жидкости 1, длина первого участка ЬО, длина второго участка Ы, длина третьего участка Ь 2. На фиг. 2 а приведены зависимости границы смачивания от времени для насыщенного раствора мыла, на фиг. 2 б - зависимости границы смачивания от времени для дистиллированной воды, символом о обозначены точки экспериментальных кривых символом - точки аппроксимирующих кривых распространения границы смачивания. В качестве пористого тела использовалось микропористое капроновое мембранное полотно ТУ 15/16 ЭССР 3-85 с диаметром пор 0,2 мкм. На фиг. 3 величина Инд обозначает расстояние от точки контакта пористого тела с исследуемой жидкостью в кювете до п-го датчика положения на 1-м щаге вычисления (номер датчика от начала п 1) величина Ыпдд-Ыпд - расстояние между п 1 1-м и п 1-м датчиками величина гпдд-пд - время между срабатываниями п 1 1-го и п 1-го датчиков положения Ки - коэффициент испарения, рассчитанный на 1-м щаге. На фиг. 4 показано, что расстояния Ы и Ь 2 могут быть не равными расстоянию между электродами, а приращение п, при вычислении Ы и Ь 2, равно расстоянию между 4-мя электродами, тогда соответствующие расстояния определяются как Ыпрдд-Ыпд для Ы и 1 Т 3-114 д для Ь 2. Далее приведено несколько вариантов выбора значений для вь 1 числения ЬО, при этом приращение п равно 4-ем расстояниям между электродами. На фиг. 4 а в качестве п-го выбирается 1-й датчик положения (1-й щаг), фиг. 4 б, в качестве п-го вь 1 бирается 2-й датчик положения (1 1-й щаг), фиг. 4 в - в качестве п-го выбирается 3-й датчик положения (1 2-й щаг). На фиг. 5 показаны кювета с анализируемой жидкостью 1 датчики распространения границы смачивания 2 пористый материал 3 блок компараторов 4 блок определения интервалов времени 5 блок определения угла смачивания 6 блок определения минимума 7 блок индикации 8 граница фронта распространения жидкости 1 длина первого участка ЬО длина второго участка Ы длина третьего участка Ь 2 ось Ох направлена по движению границы смачивания. На фиг. 6 показаны первая кювета с анализируемой жидкостью 1 датчики распространения границы смачивания первой группы электродов 2 первый отрезок пористого материала 3 блок компараторов 4 блок определения интервалов времени 5 блок определения угла смачивания 6 блок определения минимума 7 блок индикации 8 граница фронта распространения жидкости 1 длина первого участка ЬО длина второго участка Ы длина третьего участка Ь 2 ось Ох направлена по движению границы смачивания вторая кювета с анализируемой жидкостью 9 датчики распространения границы смачивания второй группы электродов 10 второй отрезок пористого материала 11. Штриховой линией условно показано смещение электродов с одинаковыми порядковыми номерами друг относительно друга. На фиг. 7 изображены ведущий вал 1 вал-кулачок 2 ведомый вал 3 измерительные электроды 4 исследуемая среда 5 направляющие 6 впитывающая бумага 7 лента-держатель 8.Сущность способа основывается на использовании математической модели капиллярно-пористого тела при горизонтальном распространении жидкости. Математическая модель получена для элемента измерения, представленного на фиг. 1. Дифференциальное уравнение для горизонтального участка пористого тела с учетом сил капиллярного всась 1 вания, гидравлического сопротивления, влияния отделяющейся вследствие испарения массы и массы, присоединяющейся из кюветы, представляется в видегде КИ - объем, испаряющийся с единицы поверхности пористого тела в единицу времени 11 - высота пористого тела 1 - расстояние, на которое перемещается граница смачивания жидкостью капиллярного тела за время г г - радиус капилляра р, п, (5 - плотность, вязкость и поверхностное натяжение жидкости соответственно П - объемная пористость (отношение объема пор ЧП к объему тела У) 6 - краевой угол Ку - коэффициент пропорциональности между средней скоростью жидкости в месте испарения и средней скоростью испаряющегося объема в направлении оси ОХ. Левая часть формулы ( 1) оказь 1 вает существенное влияние лищь на начальных участках капиллярного всасывания (при малых 1), причем на этих участках необходимо учитывать динамический угол смачивания,т.е. 6 6 (11/1, 1). Подробная методика расчета и результаты экспериментальных исследований динамического угла смачивания приведены в 3.Для тонких пористых тел вклад члена О,51112/12 ослабляется также за счет малости 11. В предлагаемом способе выбор величины ЬО должен осуществляться таким образом, чтобы можно было пренебречь динамическими изменениями угла смачивания, а значит, и левой частью формулы (1). Тогда уравнение (1) представляется какПоскольку для реальных капиллярно-пористых тел рг 2 П, рг 2 11, Ку 5 1, а 11 по порядку величины сопоставима с Ки, то выполняются условия 411 Ки КИКУ. 411 Ки. 411 2 Кикоторые позволяют пренебречь вторым и третьим слагаемыми в левой части (2) и преобразовать это уравнение к видуКак следует из (6), уравнение движения границы смачивания не зависит от пористости материала при реальных значениях П для капиллярно-пористых тел. Подставляя в (6) расстояния, соответствующие положениям датчиков, получаем