Установка для определения коэффициента диффузии окрашенных растворов

Авторы патента:

G01N21/59 - коэффициент пропускания (G01N 21/25 имеет преимущество)

G01N15/10 - исследование отдельных частиц

G01N13 - Исследование поверхностных или граничных свойств, например смачивающей способности; исследование диффузионных эффектов; анализ материалов путем определения их поверхностных, граничных и диффузионных эффектов; исследование или анализ поверхностных структур в атомном диапазоне

Предложена установка для определения коэффициента диффузии окрашенных растворов различных веществ, основанная на способе анализа цифрового изображения плоскопараллельной вертикальной ячейки с неоднородным распределением концентрации. Установка для определения коэффициента диффузии окрашенных растворов содержит последовательно установленные на оптической оси источник света, плоскопараллельную вертикальную ячейку и устройство регистрации изображения, при этом источник света выполнен в виде куба из светорассеивающего материала, освещаемого лампами с боковых граней, а в качестве устройства регистрации изображения используют цифровой фотоаппарат. Технический результат - упрощение процесса измерений и конструкции установки для его реализации, возможность определения коэффициента диффузии в растворах, поглощающих свет в области длин волн, используемых в эксперименте. 1 н.п. ф-лы. 4 илл.

Полезная модель относится к технической физике и может найти применение в текстильной промышленности, например для определения коэффициента диффузии красителя.

Известен интерференционный метод Гуи (Робинсон Р., Стокс. Р. Растворы электролитов. Пер. с англ. Под ред. акад. Фрумкина А.Н. М.: Изд. Иностранной литературы, 1963 г. с.315-325), основанный на интерферометрическом измерении градиента показателя преломления. В данном методе используются ячейки, в которых в начальный момент времени между столбами жидкости с разной концентрацией создается резкая граница, что приводит к скачкообразному изменению коэффициента преломления. В процессе диффузии граница превращается в область с постепенно меняющимся коэффициентом преломления. Ячейка освещается коллимированным пучком света из горизонтальной щели, при этом в фокальной плоскости линзы, установленной за ячейкой, наблюдается интерференционная картина, состоящая из горизонтальных полос. Полученная интерференционная картина расшифровывается и по расчетным формулам из работы [(Робинсон Р., Стокс. Р. Растворы электролитов. Пер. с англ. Под ред. акад. Фрумкина А.Н. М.: Изд. Иностранной литературы, 1963 г. с.320] определяется значение коэффициента диффузии. Данное техническое решение взято в качестве прототипа.

Недостатки прототипа:

1) Метод Гуи неприменим в случае, если раствор поглощает свет в области длин волн, используемых в эксперименте (непрозрачный раствор).

2) Необходимость точной юстировки элементов установки для получения четкой интерференционной картины, а также сложная расшифровка интерференционной картины.

3) Сложность конструкции.

Задачей создания полезной модели является разработка простой конструкции установки для определения коэффициента диффузии окрашенных растворов.

Поставленная задача решается с помощью признаков, указанных в формуле полезной модели таких как установка для определения коэффициента диффузии окрашенных растворов, содержащая последовательно установленные на оптической оси источник света, плоскопараллельную вертикальную ячейку и устройство регистрации изображения, и отличительных существенных признаков, таких как источник света выполнен в виде куба из светорассеивающего материала, освещаемого лампами с боковых граней, а в качестве устройства регистрации изображения используют цифровой фотоаппарат.

Вышеперечисленная совокупность существенных признаков позволяет получить следующий технический результат - упрощение процесса измерений и конструкции установки для его реализации, возможность определения коэффициента диффузии в растворах, поглощающих свет в области длин волн, используемых в эксперименте.

Полезная модель иллюстрируется следующими чертежами. На фиг.1 приведена схема установки; На фиг.2 приведены фотографии ячейки с раствором; На фиг.3 - схематично отражены начальные условия в ячейке.

Установка для определения коэффициента диффузии окрашенных растворов (фиг.1) содержит последовательно установленные на оптической оси источник света 1, плоскопараллельную вертикальную ячейку 2 и устройство регистрации изображения 3. Источник света 1 выполнен в виде куба из светорассеивающего материала(например, фотокуб), освещаемого лампами 4, 5 с боковых граней, а в качестве устройства регистрации изображения 3 используют цифровой фотоаппарат.

Пример осуществления способа.

Предлагаемой установкой реализуется способ измерения коэффициента диффузии, который основан на измерении концентрации по коэффициенту пропускания плоскопараллельной вертикальной ячейки с раствором (при этом ячейка может освещаться рассеянным светом (см. фиг.1).

Для измерения коэффициента пропускания раствора исследуемого вещества используется цифровой фотоаппарат 3. Коэффициент пропускания раствора заданной концентрации вычисляется как отношение яркости изображения ячейки с раствором к яркости фона (относительная яркость).

Для определения концентрации раствора по измеренному значению относительной яркости предварительно строится градуировочная зависимость. Для этого в ячейку 2 по очереди заливаются растворы исследуемого вещества известных концентраций и измеряется их относительная яркость.

Для измерения коэффициента диффузии в ячейку 2 по очереди в равных объемах заливается растворитель и раствор заданной концентрации, для погашения гравитационной конвекции сначала заливается более тяжелый компонент (см. фиг.3). На временах, пока значительные изменения концентрации не достигли границ ячейки (например, для ячейки с размером 5 см и при коэффициенте диффузии порядка 10^-5 см²/с это время составляет более 10 часов), можно считать, что поведение концентрации в ячейке описывается уравнением Фика со следующими граничными условиями:

C(x=+)=C₁,

С(x=-)=С₂,

где С - концентрация на расстоянии x от середины ячейки через время t после начала процесса диффузии, С₁ - начальная концентрация в верхней половине кюветы, С₂ - начальная концентрация в нижней половине кюветы, D - коэффициент диффузии.

Решение этой граничной задачи имеет вид [1]:

где

Через время t после начала процесса диффузии (4-5 часов при D порядка 10^-5 см² /с и при размере ячейки 5 см) производится фотографирование ячейки. На расстоянии х (несколько миллиметров) от середины ячейки по цифровому изображению определяется среднее по координате z (см. фиг.4) значение относительной яркости. По градуировочной зависимости определяется значение концентрации. Решение уравнения (2) относительно D дает значение коэффициента диффузии.

Пример использования установки.

1. Получение градуировочной зависимости относительной яркости раствора от его концентрации

1.1. В вертикально распложенную плоскопараллельную ячейку, установленную напротив одной из граней светорассеивающего куба, заливается однородный окрашенный раствор известной концентрации.

1.2. Производится фотографирование ячейки.

1.3. По цифровой фотографии определяют отношение средней яркости раствора к средней яркости фона.

1.4. Этапы 1.1-1.3 повторяются для различных значений концентраций, таким образом, строится градуировочная зависимость.

2. Измерение коэффициента диффузии

2.1. В вертикально расположенную плоскопараллельную ячейку, установленную напротив одной из граней светорассеивающего куба по очереди в равных объемах заливаются растворитель и раствор известной концентрации. Для погашения гравитационной конвекции сначала заливается более тяжелый компонент.

2.2. Через время t (4-5 часов при D порядка 10^-5 см²/с и при размере ячейки 5 см) производится фотографирование ячейки.

2.3. На расстоянии z (2-3 мм) от центра ячейки по цифровой фотографии определяется среднее по координате z (см. фиг.3) значение относительной яркости раствора.

2.4. По значению относительной яркости раствора с помощью градуировочной зависимости определяют значение концентрации раствора.

Решая нелинейное уравнение (2) относительно неизвестного D, находим значение коэффициента диффузии D.

Данным способом на установке были определены коэффициенты диффузии бытового красного тканевого красителя в воде и в 1% водном растворе хлорида натрия при температуре 23°С и среднем значении массовой концентрации красителя 0,5%, значение коэффициентов составили 0,16·10^-5 см²/с и 0,4·10^-5 см²/с соответственно.

Хотя настоящая полезная модель описана посредством примеров ее выполнения, объем данной полезной модели не ограничивается этими примерами, но определяется лишь формулой полезной модели с учетом возможных эквивалентов.

Установка для определения коэффициента диффузии окрашенных растворов, содержащая последовательно установленные на оптической оси источник света, плоскопараллельную вертикальную ячейку и устройство регистрации изображения, отличающаяся тем, что источник света выполнен в виде куба из светорассеивающего материала, освещаемого лампами с боковых граней, а в качестве устройства регистрации изображения используют цифровой фотоаппарат.