способ определения коэффициента диффузии окрашенных растворов и установка для его осуществления
Классы МПК: | G01N13/00 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 G01N15/10 исследование отдельных частиц G01N21/59 коэффициент пропускания |
Автор(ы): | Скляренко Максим Сергеевич (RU), Марценюк Михаил Андреевич (RU) |
Патентообладатель(и): | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пермский государственный университет" (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2009-05-21 публикация патента:
27.08.2010 |
Изобретение относится к технической физике и может найти применение в текстильной промышленности, например для определения коэффициента диффузии красителя. Предложенный способ определения коэффициента диффузии окрашенных растворов различных веществ основан на анализе цифрового изображения плоскопараллельной вертикальной ячейки с неоднородным распределением концентрации. В ячейку по очереди заливают растворы исследуемого вещества заданных концентраций. Далее измеряют относительную яркость, по значению которой строят градуировочный график зависимости концентрации от относительной яркости. Затем заливают растворитель и раствор исследуемого вещества заданной концентрации в равных объемах. При этом через 4-5 часов изображение ячейки регистрируют цифровым фотоаппаратом. По цифровой фотографии определяют среднее значение относительной яркости раствора на заданном расстоянии от середины ячейки (несколько миллиметров) и определяют концентрацию вещества по градуировочному графику. Затем полученное значение концентрации подставляют в уравнение вида , где C1 - начальная концентрация в верхней половине ячейки, С2 - начальная концентрация в нижней половине ячейки, D - коэффициент диффузии, x - расстояние от центра ячейки, t - время, прошедшее с начала процесса диффузии,
- интеграл ошибок,
решая которое относительно неизвестного D определяют коэффициент диффузии.
Техническим результатом изобретения является упрощение процесса и установки для его реализации, а также возможность определения коэффициента диффузии в растворах. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 5 ил.
![способ определения коэффициента диффузии окрашенных растворов и установка для его осуществления, патент № 2398214](/images/patents/64/2398214/2398214-19.jpg)
![способ определения коэффициента диффузии окрашенных растворов и установка для его осуществления, патент № 2398214](/images/patents/64/2398214/2398214-22.jpg)
![способ определения коэффициента диффузии окрашенных растворов и установка для его осуществления, патент № 2398214](/images/patents/64/2398214/2398214-23.jpg)
![способ определения коэффициента диффузии окрашенных растворов и установка для его осуществления, патент № 2398214](/images/patents/64/2398214/2398214-24.jpg)
![способ определения коэффициента диффузии окрашенных растворов и установка для его осуществления, патент № 2398214](/images/patents/64/2398214/2398214-25.jpg)
Формула изобретения
1. Способ определения коэффициента диффузии окрашенных растворов различных веществ, основанный на анализе цифрового изображения плоскопараллельной вертикальной ячейки с неоднородным распределением концентрации, отличающийся тем, что в ячейку по очереди заливают растворы исследуемого вещества заданных концентраций, измеряют относительную яркость, по значению которой строят градуировочный график зависимости концентрации от относительной яркости, заливают растворитель и раствор исследуемого вещества заданной концентрации в равных объемах, затем через 4-5 ч изображение ячейки регистрируют цифровым фотоаппаратом, по цифровой фотографии определяют среднее значение относительной яркости раствора на заданном расстоянии от середины ячейки (2-3 мм) и определяют концентрацию вещества по градуировочному графику, полученное значение концентрации подставляют в уравнение вида
где С1 - начальная концентрация в верхней половине ячейки, С2 - начальная концентрация в нижней половине ячейки, D - коэффициент диффузии, x - расстояние от центра ячейки, t - время, прошедшее с начала процесса диффузии, - интеграл ошибок,
, решая которое относительно неизвестного D, определяют коэффициент диффузии.
2. Установка для определения коэффициента диффузии окрашенных растворов, содержащая последовательно установленные на оптической оси источник света, линзу, плоскопараллельную вертикальную ячейку и устройство регистрации изображения отличающаяся тем, что она дополнительно содержит светорассеивающий экран, установленный за ячейкой, при этом в качестве источника света используют точечный источник, а в качестве устройства регистрации изображения - цифровой фотоаппарат.
3. Установка по п.2, отличающаяся тем, что экран выполнен из молочного (матового) стекла.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к технической физике и может найти применение в текстильной промышленности, например для определения коэффициента диффузии красителя.
Известен способ определения коэффициента диффузии красителя в волокне, а также измерения распределения красителя по сечению волокна. По этому способу исследования коэффициентов диффузии красителя по сечению в волокне проводятся микрофотометрическим электроаналоговым методом (патент РФ № 2047858, МПК G01N 15/10, опубл. 10.11.1995 г.).
Недостатками известного способа являются многостадийность и недостаточная точность.
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 как для способа, так и для установки (двух вариантов).
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.
Задачей создания изобретения является разработка простого способа определения коэффициента диффузии окрашенных растворов и установки (варианты) для его осуществления.
Поставленная задача решается с помощью признаков, указанных в 1-м пункте формулы изобретения: общих с прототипом, таких как способ определения коэффициента диффузии окрашенных растворов различных веществ, основанный на анализе цифрового изображения плоскопараллельной вертикальной ячейки с неоднородным распределением концентрации, и отличительных существенных признаков, таких как в ячейку по очереди заливают растворы исследуемого вещества заданных концентраций, измеряют относительную яркость, по значению которой строят градуировочный график зависимости концентрации от относительной яркости, заливают растворитель и раствор исследуемого вещества заданной концентрации в равных объемах, затем через 4-5 часов изображение ячейки регистрируют цифровым фотоаппаратом, по цифровой фотографии определяют среднее значение относительной яркости раствора на заданном расстоянии от середины ячейки (2-3 мм) и определяют концентрацию вещества по градуировочному графику, полученное значение концентрации подставляют в уравнение вида
,
где С1 - начальная концентрация в верхней половине ячейки, С2 - начальная концентрация в нижней половине ячейки, D - коэффициент диффузии, x - расстояние от центра ячейки, t - время, прошедшее с начала процесса диффузии,
- интеграл ошибок,
решая которое относительно неизвестного D определяют коэффициент диффузии.
Поставленная задача решается с помощью признаков, указанных во 2-м пункте формулы изобретения: общих с прототипом, таких как установка для определения коэффициента диффузии окрашенных растворов, содержащая последовательно установленные на оптической оси источник света, линзу, плоскопараллельную вертикальную ячейку и устройство регистрации изображения, и отличительных существенных признаков, таких как установка дополнительно содержит светорассеивающий экран, установленный за ячейкой, при этом в качестве источника света используют точечный источник, а в качестве устройства регистрации изображения - цифровой фотоаппарат.
Согласно пункту 3 формулы изобретения экран выполнен из молочного (матового) стекла.
Поставленная задача решается с помощью признаков, указанных в 4-м пункте формулы изобретения: общих с прототипом, 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 и установки для его реализации, возможность определения коэффициента диффузии в растворах, поглощающих свет в области длин волн, используемых в эксперименте.
Изобретение иллюстрируется следующими чертежами. На фиг.1 приведена схема установки согласно варианту 1. На фиг.2 приведена схема установки согласно варианту 2. На фиг.3 приведены фотографии ячейки с раствором согласно варианту 1-б; варианту 2 - а. На фиг.4 приведен градуировочный график при освещении ячейки в установке по 1-му варианту. На фиг.5 - схематично отражены начальные условия в ячейке.
Установка (1-й вариант) для определения коэффициента диффузии окрашенных растворов (фиг.1) содержит последовательно установленные на оптической оси источник света 1, линзу 2 (источник света расположен в фокусе линзы), плоскопараллельную вертикальную ячейку 3 и устройство регистрации изображения 4. Установка содержит светорассеивающий экран 5 (экран выполнен из молочного (матового) стекла), установленный за ячейкой 3, при этом в качестве источника света 1 используют точечный источник, а в качестве устройства регистрации изображения 4 - цифровой фотоаппарат.
Установка (2-й вариант) для определения коэффициента диффузии окрашенных растворов (фиг.2) содержит последовательно установленные на оптической оси источник света 6, плоскопараллельную вертикальную ячейку 3 и устройство регистрации изображения 4. Источник света 6 выполнен в виде куба из светорассеивающего материала, освещаемого лампами 7, 8 с боковых граней, а в качестве устройства регистрации изображения 4 используют цифровой фотоаппарат.
Пример осуществления способа
Предлагаемый способ измерения коэффициента диффузии основан на измерении концентрации по коэффициенту пропускания плоскопараллельной вертикальной ячейки с раствором (при этом ячейка может освещаться как коллимированным пучком света (см. фиг.1), так и рассеянным светом (см. фиг.2).
Для измерения коэффициента пропускания раствора исследуемого вещества используется цифровой фотоаппарат. Коэффициент пропускания раствора заданной концентрации вычисляют как отношение яркости изображения ячейки с раствором к яркости фона (относительная яркость) (см. фиг.3).
Для определения концентрации раствора по измеренному значению относительной яркости предварительно строят градуировочную зависимость (см. фиг.4). Для этого в ячейку по очереди заливают растворы исследуемого вещества известных концентраций и измеряют их относительную яркость.
Для измерения коэффициента диффузии в ячейку по очереди в равных объемах заливают растворитель и раствор заданной концентрации, для погашения гравитационной конвекции сначала заливают более тяжелый компонент (см. фиг.5). 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:
,
,
где C - концентрация на расстоянии x от середины ячейки через время t после начала процесса диффузии, С1 - начальная концентрация в верхней половине кюветы, C2 - начальная концентрация в нижней половине кюветы, D - коэффициент диффузии.
Решение этой граничной задачи имеет вид [1]:
Через время t после начала процесса диффузии (4-5 часов при D порядка 10-5 см2/с и при размере ячейки 5 см) производят фотографирование ячейки. На расстоянии x (2-3 мм) от середины ячейки по цифровому изображению определяют среднее по координате z (см. фиг.5) значение относительной яркости. По градуировочной зависимости определяют значение концентрации. Решение уравнения (2) относительно неизвестного D дает значение коэффициента диффузии.
Пример использования установки по 2-му варианту
1. Получение градуировочной зависимости относительной яркости раствора от его концентрации
1.1. В вертикально расположенную плоскопараллельную ячейку, установленную напротив одной из граней светорассеивающего куба, заливают однородный окрашенный раствор известной концентрации.
1.2. Производят фотографирование ячейки.
1.3. По цифровой фотографии определяют отношение средней яркости раствора к средней яркости фона.
1.4. Этапы 1.1-1.3 повторяют для различных значений концентраций, таким образом, строят градуировочную зависимость.
2. Измерение коэффициента диффузии
2.1. В вертикально расположенную плоскопараллельную ячейку, установленную напротив одной из граней светорассеивающего куба, по очереди в равных объемах заливают растворитель и раствор известной концентрации. Для погашения гравитационной конвекции сначала заливают более тяжелый компонент.
2.2. Через время t (4-5 часов при D порядка 10-5 см 2/с и при размере ячейки 5 см) производят фотографирование ячейки.
2.3. На расстоянии x (2-3 мм) от центра ячейки по цифровой фотографии определяют среднее по координате z (см. фиг.5) 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, получают значение коэффициента диффузии D.
Данным способом были определены коэффициенты диффузии бытового красного тканевого красителя в воде и в 1% водном растворе хлорида натрия при температуре 23°C и среднем значении массовой концентрации красителя 0,5%, значения коэффициентов составили 0,16·10-5 см2/с и 0,4·10-5 см2/с соответственно.
Таким образом, способ определения коэффициента диффузии окрашенных растворов различных веществ основан на анализе цифрового изображения плоскопараллельной вертикальной ячейки с неоднородным распределением концентрации. Способ предусматривает следующие операции: в ячейку по очереди заливают растворы исследуемого вещества заданных концентраций, измеряют относительную яркость, по значению которой строят градуировочный график зависимости концентрации от относительной яркости, заливают растворитель и раствор исследуемого вещества заданной концентрации в равных объемах, затем через 4-5 часов изображение ячейки регистрируют цифровым фотоаппаратом, по цифровой фотографии определяют среднее значение относительной яркости раствора на заданном расстоянии от середины ячейки и определяют концентрацию вещества по градуировочному графику, полученные значения концентрации подставляют в уравнение вида
,
где C1 - начальная концентрация в верхней половине ячейки, C2- начальная концентрация в нижней половине ячейки, D - коэффициент диффузии, x - расстояние от центра ячейки, t - время, прошедшее с начала процесса диффузии,
- интеграл ошибок,
,
решая которое относительно неизвестного D, определяют коэффициент диффузии.
Хотя настоящее изобретение описано посредством примеров его выполнения, объем данного изобретения не ограничивается этими примерами, но определяется лишь формулой изобретения с учетом возможных эквивалентов.
Класс G01N13/00 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
Класс G01N15/10 исследование отдельных частиц
Класс G01N21/59 коэффициент пропускания