Патент на изобретение №2398214

(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ДИФФУЗИИ ОКРАШЕННЫХ РАСТВОРОВ И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

(57) Реферат:

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.

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 см²/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.

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.

РИСУНКИ