Preview

Заводская лаборатория. Диагностика материалов

Расширенный поиск
Доступ открыт Открытый доступ  Доступ закрыт Только для подписчиков

Бесконтактные методы определения поверхностного натяжения жидкостей (обзор)

https://doi.org/10.26896/1028-6861-2020-86-4-29-38

Полный текст:

Аннотация

Представлен обзор бесконтактных методов определения поверхностного натяжения жидкостей. Проведен анализ физических эффектов, положенных в их основу. Отмечены достоинства, недостатки, возможные диапазоны измерений и сферы применения бесконтактных методов. Рассмотрены пассивные методы, не требующие стимуляции объекта измерения, и активные, при реализации которых на жидкость оказывается то или иное воздействие. При анализе методов на основе капиллярных волн, применяемых для исследования свойств поверхностно-активных веществ, описаны электрические, электромагнитные, акустические, струйные и механические способы возбуждения капиллярных волн. Рассмотрены методы, базирующиеся на процессах в колеблющейся или вращающейся левитирующей капле жидкости (бесконтейнерные методы), используемые при исследовании свойств расплавов. Приведены методы на основе локальной деформации поверхности жидкости электрическим полем, акустическим импульсом и газовой струей. Показано, что для стандартных лабораторных условий наиболее перспективны аэродинамические методы, основанные на деформации поверхности контролируемой жидкости струей газа. Отмечено, что бесконтейнерные методы следует применять в условиях невесомости, методы на основе капиллярных волн и деформации поверхности жидкости сфокусированным акустическим импульсом — в случае невязких жидкостей. Методы на основе электрической деформации поверхности контролируемой жидкости имеют ограничение по толщине ее слоя, сравнительно высокую чувствительность к ее плотности и диэлектрической проницаемости, а также ряду других неконтролируемых факторов. Отмечено также, что аэродинамический бесконтактный метод определения поверхностного натяжения характеризуется низкой чувствительностью к плотности и вязкости контролируемой жидкости. Представленный обзор бесконтактных способов определения поверхностного натяжения позволит выбрать метод, наилучшим образом подходящий для решения конкретной измерительной задачи.

Об авторах

М. М. Мордасов
Тамбовский государственный технический университет
Россия

Михаил Михайлович Мордасов

392000, г. Тамбов, ул. Советская, д. 106



А. П. Савенков
Тамбовский государственный технический университет
Россия

Александр Петрович Савенков

392000, г. Тамбов, ул. Советская, д. 106



К. Е. Чечетов
Тамбовский государственный технический университет
Россия

Кирилл Евгеньевич Чечетов

392000, г. Тамбов, ул. Советская, д. 106



Список литературы

1. Thiessen D. B., Man K. F. A quasi-containerless pendant drop method for surface tension measurements on molten metals and alloys / Int. J. Thermophys. 1995. Vol. 16. N 1. P. 245 – 255. DOI: 10.1007/BF01438975.

2. Issenmann B., Wunenburger R., Chraibi H., et al. Unsteady deformations of a free liquid surface caused by radiation pressure / J. Fluid Mech. 2011. Vol. 682. P. 460 – 490. DOI: 10.1017/jfm.2011.236.

3. US Pat. 5303030, G01B 9/02. Method and apparatus for monitoring and measuring the surface tension of a fluid using fiber optics / B. M. Abraham, J. B. Ketterson, T. M. Bohanon, J. M. Mikrut. — Appl. N 801153. Filed 02.12.1991. Pat. 12.04.1994. — 9 p.

4. USSR Inventor’s Certificate 1436017, G01N 13/02. Method of determining the coefficient of surface tension of liquid / V. V. Sterlyadkin, E. A. Sterlyadkina; applicant and patentee Vsesoyuznyi zaochnyi mashinostroitel’nyi institut. — Appl. N 4076665/31 – 25; appl. 07.04.1986; publ. 07.11.1988. Byull. Otkryt. Izobret. N 41. [In Russian].

5. Hård S., Hamnerius Y., Nilsson O. Laser heterodyne apparatus for measurements of liquid surface properties — Theory and experiments / J. Appl. Phys. 1976. Vol. 47. N 6. P. 2433 – 2442. DOI: 10.1063/1.322953.

6. Sano M., Kawaguchi M., Chen Y-L., et al. Technique of surface-wave scattering and calibration with simple liquids / Rev. Sci. Instrum. 1986. Vol. 57. N 6. P. 1158 – 1162. DOI: 10.1063/1.1138620.

7. Nishimura Y., Hasegawa A., Nagasaka Y. High-precision instrument for measuring the surface tension, viscosity and surface viscoelasticity of liquids using ripplon surface laser-light scattering with tunable wavelength selection / Rev. Sci. Instrum. 2014. Vol. 85. N 044904. DOI: 10.1063/1.4871992.

8. Behroozi F., Perkins A. Direct measurement of the dispersion relation of capillary waves by laser interferometry / Am. J. Phys. 2006. Vol. 74. N 11. P. 957 – 961. DOI: 10.1119/1.2215617.

9. US Pat. 5590560, G01M 3/08. Apparatus for measuring viscosity or thickness, surface tension and surface dilational elasticity / F. M. Joos, A. K. Anders. — Appl. N 561904; filed 22.11.1995; pat. 07.01.1997. — 22 p.

10. US Pat. 5005401, G01N 11/00, G01N 13/02. Noncontact on-line measurement of the viscosity of liquid paint / B. M. Pierce, D. B. Chang. — Appl. N 478893; filed 12.02.1990; pat. 09.04.1991. — 9 p.

11. Sohl C. H., Miyano K., Ketterson J. B. Novel technique for dynamic surface tension and viscosity measurements at liquid — gas interfaces / Rev. Sci. Instrum. 1978. Vol. 49. N 10. P. 1464 – 1469. DOI: 10.1063/1.1135288.

12. Miyano K. Local mechanical properties of monomolecular films on water measured with a capillary wave probe / Langmuir. 1990. Vol. 6. N 7. P. 1254 – 1259. DOI: 10.1021/la00097a011.

13. Adamson A. W. Physical Chemistry of Surfaces. — New York: Interscience (Wiley), 1967. — 747 p.

14. US Pat. 4512183, G01N 13/02. Method of measuring and/or monitoring the surface tension of fluids / M. Alexander. — Appl. N 522180; filed 18.01.1983; pat. 23.04.1985. — 6 p.

15. Saylor J. R., Szeri A. J., Foulks G. P. Measurement of surfactant properties using a circular capillary wave field / Exp. Fluids. 2000. Vol. 29. N 6. P. 509 – 518. DOI: 10.1007/s003480000119.

16. Pat. 2836972 DE, G01N 13/02. Verfahren zur berührungslosen Messung der Ober-flächenspannung und der Viskosität / E.-G. Lierke, W. M. Heide, M. Achatz. — Aktenzeichen P2836972.4; anmeldetag 24.08.1978; offenlegungstag 06.03.1980. — 20 p.

17. US Pat. 6563588, G01B 11/00. Apparatus and method for measurement of fluid viscosity / F. Behroozi. — Appl. N 09/747528; filed 22.12.2000; pat. 13.05.2003. — 16 p.

18. Mordasov M. M., Savenkov A. P., Chechetov K. E. Special aspects of applying the term «non-contact method of measurement» / Sensors and Systems. 2017. N 4. P. 47 – 52 [In Russian].

19. USSR Inventor’s Certificate 409116, G01N 13/02. Method of determining liquid surface tension coefficient / E. Z. Gak, M. Z. Gak, G. P. Komarov; applicant and patentee Agrophysical Research Institute. — Appl. N 1816623/26 – 25; appl. 04.08.1972; publ. 30.11.1973. Byull. Otkryt. Izobret. N 48 [in Russian].

20. Cinbis C., Khuri-Yakub B. A noncontacting technique for measuring surface tension of liquids / Rev. Sci. Instrum. 1992. Vol. 63. N 3. P. 2048 – 2050. DOI: 10.1063/1.1143164.

21. Rhim W.-K., Chung S., Barber D., et al. An electrostatic levitator for hightemperature containerless materials processing in 1g / Rev. Sci. Instrum. 1993. Vol. 64. N 10. P. 2961 – 2970. DOI: 10.1063/1.1144475.

22. Herlach D., Cochrane R., Egry I., et al. Containerless processing in the study of metallic melts and their solidification / Int. Mater. Rev. 1993. Vol. 38. N 6. P. 273 – 347. DOI: 10.1179/095066093790326267.

23. Brillo J., Lohöfer G., Schmidt-Hohagen F., et al. Thermophysical property measurements of liquid metals by electromagnetic levitation / Int. J. Mater. Prod. Technol. 2006. Vol. 26. N 3/4. P. 247 – 273. DOI: 10.1504/IJMPT.2006.009469.

24. Sarou-Kanian V., Millot F., Rifflet J. Surface tension and density of oxygen-free liquid aluminum at high temperature / Int. J. Thermophys. 2003. Vol. 24. N 1. P. 277 – 286. DOI: 10.1023/A:1022466319501.

25. Paradis P.-F., Ishikawa T., Koike N. Non-contact measurements of the surface tension and viscosity of molybdenum using an electrostatic levitation furnace / Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2007. Vol. 25. N 1. P. 95 – 100. DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2006.02.001.

26. Zhou Z., Mukherjee S., Rhim W.-K. Measurement of thermophysical properties of molten silicon using an upgraded electrostatic levitator / J. Cryst. Growth. 2003. Vol. 257. N 3 – 4. P. 350 – 358. DOI: 10.1016/S0022-0248(03)01430-1.

27. Okada J., Ishikawa T., Watanabe Y., Paradis P.-F. Surface tension and viscosity of molten vanadium measured with an electrostatic levitation furnace / J. Chem. Thermodyn. 2010. Vol. 42. N 7. P. 856 – 859. DOI: 10.1016/j.jct.2010.02.008.

28. Paradis P.-F., Ishikawa T., Koike N., Watanabe Y. Physical properties of liquid tehium measmd by levitation techniques / J. Rare Earths. 2007. Vol. 25. N 6. P. 665 – 669. DOI: 10.1016/S1002-0721(08)60003-4.

29. Fujii H., Matsumoto T., Nogi K. Analysis of surface oscillation of droplet under microgravity for the determination of its surface tension / Acta Mater. 2000. Vol. 48. N 11. P. 2933 – 2939. DOI: 10.1016/S1359-6454(00)00086-0.

30. Wang H., Chang J., Wei B. Measurement and calculation of surface tension for undercooled liquid nickel and its alloy / J. Appl. Phys. 2009. Vol. 106. N 033506. P. 033506-1 – 033506-4. DOI: 10.1063/1.3187793.

31. Brillo J., Egry I. Density determination of liquid copper, nickel, and their alloys / Int. J. Thermophys. 2003. Vol. 24. N 4. P. 1155 – 1170. DOI: 10.1023/A:1025021521945.

32. Brillo J., Egry I., Matsushita T. Density and surface tension of liquid ternary Ni – Cu – Fe alloys / Zeitschr. Metallkunde. 2006. Vol. 97. N 1. P. 28 – 34.

33. Haumesser P.-H., Bancillon J., Daniel M., et al. High-temperature contactless viscosity measurements by the gas-film levitation technique: Application to oxide and metallic glasses / Rev. Sci. Instrum. 2002. Vol. 73. N 9. P. 3275 – 3285. DOI: 10.1063/1.1499756.

34. Millot F., Rifflet J., Sarou-Kanian V., Wille G. High-temperature properties of liquid boron from contactless techniques / Int. J. Thermophys. 2002. Vol. 23. N 5. P. 1185 – 1195. DOI: 10.1023/A:1019836102776.

35. Elleman D., Wang T., Barmatz M. Acoustic containerless experiment system: a non-contact surface tension measurement: NASA Technical Memorandum 89N20308 / Microgravity Science and Applications Flight Programs. Vol. 2. — Washington: NASA, 1988. P. 557 – 567.

36. Rhim W.-K., Ishikawa T. Noncontact surface tension measurement by drop rotation / Rev. Sci. Instrum. 2001. Vol. 72. N 9. P. 3572 – 3575. DOI: 10.1063/1.1388215.

37. Millot F., Rifflet J., Wille G., et al. Analysis of surface tension from aerodynamic levitation of liquids / J. Am. Ceram. Soc. 2002. Vol. 85. N 1. P. 187 – 192. DOI: 10.1111/j.1151-2916.2002.tb00064.x.

38. Weber J. K. R., Hampton D. S., Merkley D. R., et al. Aeroacoustic levitation: A method for containerless liquidphase processing at high temperatures / Rev. Sci. Instrum. 1994. Vol. 65. N 2. P. 456 – 465. DOI: 10.1063/1.1145157.

39. Ishikawa T., Paradis P.-F., Itami T., Yoda S. Non-contact thermophysical property measurements of refractory metals using an electrostatic levitator / Meas. Sci. Technol. 2005. Vol. 16. N 2. P. 443 – 451. DOI: 10.1088/0957-0233/16/2/016.

40. Trinh E., Ohsaka K. Measurement of density, sound velocity, surface tension, and viscosity of freely suspended supercooled liquids / Int. J. Thermophys. 1995. Vol. 16. N 2. P. 545 – 555. DOI: 10.1007/BF01441920.

41. USSR Inventor’s Certificate 320755, G01N 13/02. Method of determining liquid surface tension coefficient / V. N. Sokol’skii; applicant and patentee V. N. Sokol’skii. — Appl. N 1409310/26 – 25; appl. 02.03.1970; publ. 04.11.1971. Byull. Otkryt. Izobret. N 34 [in Russian].

42. USSR Inventor’s Certificate 1257464, G01N 11/00. Method of determining rheological parameters of medium / M. M. Rusanov, L. M. Panasyuk; applicant and patentee M. M. Rusanov, L. M. Panasyuk.— Appl. N 3633999/24 – 25; appl. 12.08.1983; publ. 15.09.1986. Byull. Otkryt. Izobret. N 34 [in Russian].

43. US Pat. 6925856, G01N 11/00, G01N 13/00, G01N 29/10. Non-contact techniques for measuring viscosity and surface tension information of a liquid / R. О. Williams.— Appl. N 10/290626; filed 07.11.2002; pat. 09.08.2005.— 13 p.

44. US Pat. 7281413, G01N 11/00. Acoustic method for determining the viscosity and/or surface tension of a liquid / R. O. Williams, J. Chiao, H. W. Chow, et al.— Appl. N 11/088436; filed 24.03.2005; pat. 16.10.2007.— 21 p.

45. Cinbis C., Mansour N., Khuri-Yakub B. Effect of surface tension on the acoustic radiation pressure-induced motion of the water-air interface / J. Acoust. Soc. Am. 1993. Vol. 94. N 4. P. 2365 – 2372. DOI: 10.1121/1.407456.

46. Pfund A. H., Greenfield E. W. Surface-tension measurements of viscous liquids / Ind. Eng. Chem. 1936. Vol. 8. N 2. P. 81 – 82. DOI: 10.1021/ac50100a001.

47. US Pat. 5024080, G01N 11/00. Paint viscosity monitoring system and method / P. G. Backes.— Appl. N 503586; filed 03.04.1990; pat. 18.06.1991.— 6 p.

48. GB Pat. 2192987, G01N 11/00, G01N 9/00, G01N 13/02. A device for measuring physical properties of liquids / S. Nowinski.— Appl. N 8717205; filed 21.07.1987; publ. 27.01.1988.— 5 p.

49. RF Pat. 2205380, G01N 13/02. Method of measuring the surface tension / M. M. Mordasov, V. I. Galizdra, E. I. Korneeva; applicant and patentee Tambov Military Aviation Engineering Institute.— Appl. N 2000106486/28; appl. 16.03.2000; publ. 27.05.2003. Byull. Otkryt. Izobret. N 15 [in Russian].

50. RF Pat. 2208777, G01N 13/02. Method of measuring the surface tension of fluids and device for its implementation / M. M. Mordasov, V. I. Galizdra, E. I. Korneeva; applicant and patentee Tambov Military Aviation Engineering Institute.— Appl. N 2001103826/28; appl. 12.02. 2001; publ. 20.07.2003. Byull. Otkryt. Izobret. N 20 [in Russian].

51. UA Pat. 71259, G01N 13/02. Optoelectronic meter of surface tension of liquids / I. I. Bіlins’kii, O. S. Gorodets’ka; applicant and patentee Vinnytsia National Technical University.— Appl. N 20031211547; appl. 15.12.2003; publ. 15.11.2004; Bull. N 11. [in Ukrainian].

52. UA Pat. 71576, G01N 13/02. Optoelectronic meter of surface tension of liquids / I. I. Bіlins’kii, O. S. Bіloshkurs’ka, S. O. Sіrenko; applicant and patentee Vinnytsia National Technical University.— Appl. N 2001042381; appl. 10.04. 2001; publ. 15.12.2004. Bull. N 12. [in Ukrainian].

53. Mordasov M. M., Savenkov A. P., Safonova M. E., Sychev V. A. Contactless method of measurement of surface tension / Meas. Tech. 2018. Vol. 61. N 6. P. 613 – 620. DOI: 10.1007/s11018-018-1473-7.

54. Rosler R. S., Stewart G. H. Impingement of gas jets on liquid surfaces / J. Fluid Mech. 1968. Vol. 31. P. 163 – 174. DOI: 10.1017/S002211206800008X.

55. Mordasov M. M., Galizdra V. I., Astakhov V. P. A Non-contact pneumatic method of surface tension measurement / Zavod. lab. Diagnos. mat. 1994. Vol. 60. N 9. P. 33 – 36 [in Russian].

56. Galizdra V. I., Mishchenko S. V., Mordasov D. M., Mordasov M. M. A method for monitoring the surface tension of fluid media under industrial conditions / Ind. Lab. 1997. Vol. 63. N 5. P. 282 – 284.

57. Galizdra V. I., Mishchenko S. V., Mordasov D. M., Mordasov M. M. Pneumatic methods for monitoring the surface tension of fluid media (review) / Zavod. Lab. Diagn. Mater. 1997. Vol. 63. N 8. P. 26 – 31 [in Russian].


Для цитирования:


Мордасов М.М., Савенков А.П., Чечетов К.Е. Бесконтактные методы определения поверхностного натяжения жидкостей (обзор). Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2020;86(4):29-38. https://doi.org/10.26896/1028-6861-2020-86-4-29-38

For citation:


Mordasov M.M., Savenkov A.P., Chechetov K.E. Non-contact methods for measuring the surface tension of liquids (review). Industrial laboratory. Diagnostics of materials. 2020;86(4):29-38. (In Russ.) https://doi.org/10.26896/1028-6861-2020-86-4-29-38

Просмотров: 62


ISSN 1028-6861 (Print)
ISSN 2588-0187 (Online)