бесконтактный способ измерения вязкости жидкости

Формула изобретения

Способ измерения вязкости жидкости, включающий ее облучение пучком лазера, создание области возбуждения в виде фотоиндуцированного термокапиллярного течения, приводящего к динамической деформации свободной поверхности жидкости в виде углубления, отличающийся тем, что о вязкости судят по интервалу времени между моментом включения пучка лазера и моментом начала изменения распределения интенсивности света в части поперечного сечения пучка лазера, отраженного от углубления, при этом используют калибровочную зависимость интервала времени от вязкости, полученную экспериментально.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к способам измерения вязкости жидкостей.

Известны способы [1, 2], в которых слой жидкости нагревают пучком лазера. В результате в слое формируется термокапиллярный конвективный вихрь, который деформирует свободную поверхность жидкости в виде углубления. Отраженный от стационарного углубления пучок лазера образует на экране, помещенном в его поперечном сечении, интерференционную картину в виде концентрических колец. Вязкость жидкости определяют, измеряя стационарный диаметр внешнего кольца этой картины.

Известен способ [3], в котором углубление в слое жидкости создают, как в способах [1, 2], а вязкость жидкости определяют по эволюции угла расходимости пучка лазера, отраженного от углубления.

Способы [1-3] имеют общий недостаток - они основаны на измерении диаметра лазерного пучка в некотором его поперечном сечении. Из-за неизбежного размытия края пучка в измерения вносится заметная погрешность.

Недостатком способов [1, 2] является также то, что для установления стационарного диаметра интерференционной картины требуется время порядка нескольких минут [4], поэтому способы [1, 2] нельзя использовать для измерений в реальном времени.

Недостатком способа [3] является также то, что малые значения расходимости лазерного пучка, отраженного от поверхности углубления, измерить не удается. Измерения становятся возможными лишь спустя 0.8-3.0 с с момента включения пучка лазера (см. фиг.2 [3]), что снижает оперативность этого способа.

Целью изобретения является уменьшение времени измерений, упрощение процедуры измерений и повышение их точности.

Поставленная цель достигается путем измерения интервала времени между моментом включением пучка лазера и моментом начала изменения распределения интенсивности света в части поперечного сечения пучка лазера, отраженного от углубления.

Схема предлагаемого способа показана на фиг.1, где 1 - лазер, 2 - слой прозрачной жидкости, 3 - поглощающая излучение лазера подложка, 4 - непрозрачный экран с отверстием, 5 - фотоприемник.

Сущность предлагаемого способа состоит в следующем. Поглощающую излучение подложку, на которой находится измеряемый слой прозрачной жидкости, нагревают пучком лазера. С момента включения пучка лазера до того момента, когда тепловой фронт дойдет от поверхности подложки к свободной поверхности жидкости, проходит интервал времени примерно, равный h²/4 [5, 6], где h - толщина слоя жидкости, - температуропроводность жидкости. Поскольку для большинства органических жидкостей и воды близок к 10^-7 м² /с [7-9], то интервал времени для их слоя толщиной 100 мкм примерно равен 0.025 с.

После того как тепловой фронт достиг свободной поверхности жидкости, на ней немедленно возникает температурный градиент поверхностного натяжения, направленный радиально из области нагрева к периферии слоя. Как только градиент поверхностного натяжения превысит критическую величину, достаточную для преодоления сил вязкого трения, жидкость начинает растекаться из области нагрева (так называемое термокапиллярное течение) и в ее слое возникает углубление. Момент возникновения углубления определяют по изменению интенсивности излучения в какой-либо части сечения лазерного пучка, отраженного от поверхности жидкости. Для того чтобы на фотоприемник попадала малая часть пучка, его перекрывают непрозрачным экраном с отверстием. Этот прием повышает как чувствительность, так и точность способа.

Чем больше вязкость жидкости, тем большее время нагрева требуется, чтобы получить углубление. Зависимость промежутка времени _d между моментом включения пучка и моментом возникновения термокапиллярного углубления от вязкости жидкости можно использовать для определения последней. Этот промежуток времени в 10³-10⁴ раз меньше времени измерения способов [1, 2] и примерно в 10 раз меньше времени измерения способа [3].

Для конкретной толщины слоя получают зависимость времени _d от вязкости жидкости, которую затем используют как калибровочную при измерениях вязкости.

На фиг.2 дан типичный вид сигнала фотодатчика с момента включения пучка лазера, когда отверстие в экране совпадает с осью отраженного пучка. При образовании углубления пучок фокусируется и интенсивность в его центре растет, что регистрирует фотодатчик (сигнал фотодатчика растет). Экспериментальные точки сняты с интервалом 0.01 с.

На фиг.3 дан сигнал фотодатчика, когда отверстие находится на краю пучка. При фокусировке пучка интенсивность на его краю уменьшается, что приводит к уменьшению сигнала фотодатчика в момент формирования углубления. Шаг точек по времени тот же.

Фиг.2 и 3 получены для слоя этанола толщиной 1 и 5 мм соответственно на эбонитовой подложке. Интервал _d для этих слоев составил 1.1 и 7.5 с.

На фиг.4 приведены зависимости интервала времени _d от толщины слоя шести органических жидкостей разной вязкости. Точки соответствуют усреднению по результатам нескольких экспериментов. Показана средняя относительная погрешность с доверительной вероятностью 0.8. Как видно из фиг.4, для слоев жидкости толщиной 300 мкм время измерений лежит в диапазоне 0.05-0.15 с. Для н-бутанола время измерений предложенным способом составляет 0.08 с, что в 10 раз меньше времени измерений способа [3].

Поскольку при формировании термокапиллярного углубления интенсивность света меняется в любой части сечения, отраженного от углубления пучка, то для измерений предложенным способом не требуется измерять диаметр световой картины, как в способах [1-3], а нужно лишь зафиксировать изменение интенсивности света. Для этого достаточно иметь схему регистрации на основе одного фотоэлемента (фотодиода, фототранзистора и т.д.). Современная электроника позволяет измерять сигнал с очень высоким временным (до наносекунд) и амплитудным (до 0.1%) разрешением, что делает предложенный способ более оперативным и точным, чем способы [1-3].

Таким образом, предложенный способ обладает следующими преимуществами. Время измерений на три-четыре порядка меньше времени измерений способов [1, 2] и на порядок меньше времени измерения способа [3], что позволяет использовать предложенный способ в реальном времени. Благодаря тому что измеряемым сигналом служит электрический сигнал фотодатчика, способ отличается от своих прототипов [1-3] простотой и точностью.

ЛИТЕРАТУРА

1. Авт. свидет. СССР №1188588. Способ определения вязкости. Б.А.Безуглый, С.Н.Ланин, В.В.Низовцев. Опубл. 30.10.85. Бюл. №40.

2. Авт. свидет. СССР №1242764. Способ определения вязкости. Б.А.Безуглый, С.Н.Ланин, В.В.Низовцев. Опубл. 07.07.86. Бюл. №25.

3. Патент РФ №2201587. Бесконтактный способ измерения вязкости. Б.А.Безуглый, А.А.Федорец. Опубл. 27.03.2003. Бюл. №9.

4. Безуглый Б.А., Федорец А.А. Применение фотоиндуцированного термокапиллярного эффекта для измерения энергетических параметров лазерного пучка. // Вестник Тюменского госуниверситета. - 2002. - №3. - С.118-124.

5. Carslow H.S. and Jaeger J.C. Conduction of heat in solids. Oxford: Clarendon Press, 1959.

6. B.A.Bezuglyi., S.I.Chemodanov, O.A.Tarasov. New approach to diagnostics of organic impurities in water. // Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects. - 2004. - Vol.239. - PP.11-17.

7. Физические величины: Справочник. / Под ред. акад. Григорьева И.С., Михайлова Е.З. - М.: Энергоатомиздат, 1991.

8. Справочник химика. T.1. Второе изд. переработанное и дополненное. Государственное научно-техническое издательство химической литературы. - Москва, Ленинград, 1962.

9. Н.Б.Варгафтик. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. - Москва, 1963.