Капиллярный метод контроля: . . . Sherwin, Helling, Magnaflux

Капиллярный метод неразрушающего контроля сварных швов (соединений)

Капиллярный контроль (проникающими веществами, течеискание) относится к наиболее сенситивным методам дефектоскопии. Базирующийся на проникновении контрастных веществ (пенетрантов) в поверхностные слои исследуемого объекта, он позволяет выявлять в них малейшие неровности, шероховатости и трещины.

Под действием давления и последующей обработки пенетрантов проявителем уровень свето- и цветоконтрастности поврежденного участка увеличивается по сравнению с полноценной поверхностью. Полученный в результате индикаторный рисунок позволяет определить не только количественный, но и качественный состав повреждений.

Сферы применения

Капиллярные методы выявляют поверхностные и сквозные микродефекты, недоступные для визуального контроля. Их применение дает возможность отслеживавать объекты любых размеров и форм, изготовленных из самых разных материалов, включая черные и цветные металлы, стекло, керамику и пластик.

Очень часто капиллярная дефектоскопия является единственным доступным методом контроля конструкций и элементов из неметаллических, немагнитных, композитных и прочих многообещающих материалов. Помимо обнаружения и идентификации, контроль проникающими веществами отражает сведения о параметрах повреждения, что упрощает понимание причин его возникновения.

Одним из важнейших преимуществ капиллярной дефектоскопии является высокая чувствительность, позволяющая выявлять в сварных соединениях и швах пустоты с шириной раскрытия до 0,1 мкм:

• Пористость
• Трещины и свищи на пористой поверхности
• Сварочные и терморазрывы
• Шлифовочные и усталостные деформации и щели

Универсальность капиллярного метода обусловила его активное использование:

• В мониторинге запуска и эксплуатации важных объектов
• В авиа- и ракетостроении
• Судостроении
• Автомобилестроении
• Металлургии
• Энергетической, нефтегазовой и химической промышленности

Аэрозольные баллончики для размещения пенетрантов сделали контроль проникающими веществами компактным и портативным. Применение метода больше не ограничивается производственными и лабораторными помещениями. Теперь он активно используется в полевых условиях для диагностики фактического состояния технически сложных объектов

Разновидности капиллярного контроля

В зависимости от способа выполнения капиллярный контроль может быть: основным — осуществляется посредством нанесения проникающих веществ; комбинированным — использует одновременно несколько щадящих методов.

Основные способы капиллярного контроля подразделяются на две группы:

1. По типу пенетрантов:

• Проникающие растворы
• Фильтрующие суспензии

По способу получения индикаторного рисунка:

• Яркостный (ахроматический), обеспечивающий высокую ясность и четкость ахроматического следа
• Цветной (контрастный), обеспечивающий видимость повреждений за счет контрастности индикаторного рисунка и фона исследуемого объекта (красно-белый метод)
• Люминесцентный, использующий способность люминофоров светится в ультрафиолете
• Люминесцентно-цветной – регистрирует контраст цветного или люминесцирующего индикаторного следа на поврежденной поверхности в видимом или длинноволновом ультрафиолете

Комбинированные разновидности представляют собой синтез капиллярного контроля:

1. С электростатическим
2. С магнитным
3. С электроиндукционным
4. С радиационными методами поглощения или излучения

Состав комбинации зависит от способа и характера воздействия на исследуемую поверхность.

Проведение аттестации и обучение специалистов по неразрушающему контролю

Особенности технологии проведения

Мероприятия по выявлению повреждений методом капиллярного контроля регулируются ГОСТ 18442-80 и предполагают поэтапное выполнение:

1. Подготовка объекта заключается в тщательном очищении его поверхности от любых загрязнений, включая окалину, ржавчину и масла. Выбор способа очищения зависит от происхождения загрязнений и может быть механическим, растворяющим, паровым или химическим. Неорганические вещества удаляют посредством механической чистки, органические – специальными очистителями. После обработки исследуемая поверхность тщательно просушивается
2. Заполнение пенетрантами пустот и полостей на контролируемой поверхности выполняется одним из способов:

• Капиллярным, когда индикаторная жидкость наносится путем смачивания, кистью, струей или распыления
• Вакуумным, создающим в несплошностях разряженную атмосферу с разницей между внутренним и внешним давлением, заставляющей полость «втягивать» в себя пенетрант
• Компрессионный, наоборот, подразумевает избыточное давление, под действием которого индикаторная жидкость заполняет пустоты, вытесняя из них воздух
• Ультразвуковой предполагает заполнение трещин с применением капиллярного эффекта, созданного ультразвуком
• Деформационный – заполнение пустот индикаторными веществами под воздействием колебаний звуковой волны или статичных нагрузок

Пониженные температуры увеличивают время проникновения пенетранта в микротрещины и вероятность образования конденсата на поверхности контролируемого участка, что усложняет технологический процесс.

Промежуточное очищение требуется для удаления излишков пенетрантов водой или специальными составами, нанесенными на салфетку из гигроскопических материалов. Делают это аккуратно, удаляя вещества не из трещин, а только с исследуемой поверхности, которую после обработки просушивают естественным путем

Процесс нанесения проявителя может быть выполнен методом распыления, кистевым, погружения или обливным. Чтобы излишки проявителя не испортили индикаторные следы, его равномерно наносят 2-3 тонкими слоями. Попадая в несплошности проявитель, увеличивается и «выталкивает» краситель на поверхность. При строгом соблюдении технологии ширина контрастного рисунка настолько превышает ширину раскрытия повреждения, что позволяет обнаружить микротрещины без применения оптических приборов

К этапу контроля приступают после полного высыхания проявителя, когда на белом фоне выделяются дефекты контрастного (чаще всего красного) цвета. Цветовая насыщенность отражает глубину и ширину раскрытия трещин, течи и прочих деформаций. Чем она интенсивнее, тем глубже повреждение и наоборот. Несплавления в сварных швах проявляются цветными линиями, а поры – скоплениями разрозненных точек

Метод течеискания контролирует сквозные повреждения. Его особенность заключается в нанесении проникающего вещества и проявителя, как на внешние, так и внутренние поверхности исследуемой конструкции.

К реализации мероприятий капиллярного контроля допускаются специалисты со здоровым зрением без признаков дальтонизма, которые прошли специальное обучение, подкрепленное соответствующим удостоверением.

Результаты визуального или оптического осмотра, допускающего применение луп и очков с увеличительными линзами, анализируются и протоколируются. По завершению контрольных мероприятий объект очищается водой или растворителем, обдувкой песком или другим абразивом.

Отправьте заявку на исследование капиллярным методом контроля

Благодарственные письма наших клиентов

Среди наших клиентов

Капиллярный контроль, цветная дефектоскопия, капиллярный метод неразрушающего контроля

Капиллярный контроль. Цветная дефектоскопия. Капиллярный метод неразрушающего контроля.

 _____________________________________________________________________________________

Капиллярная дефектоскопия — метод дефектоскопии, основанный на проникновении определенных контрастных веществ в поверхностные дефектные слои контролируемого изделия  под действием капиллярного (атмосферного) давления, в результате последующей обработки проявителем повышается свето- и цветоконтрастность дефектного участка относительно неповрежденного, с выявлением количественного и качественного состава повреждений (до тысячных долей миллиметра).

Существует люминесцентный (флуоресцентный) и цветной методы капиллярной дефектоскопии.

В основном по техническим требованиям или условиям необходимо выявлять очень малые дефекты (до сотых долей миллиметра) и идентифицировать их при обычном визуальном осмотре невооруженным глазом просто невозможно. Использование же портативных оптических приборов, например увеличительной лупы или микроскопа, не позволяет выявить поверхностные повреждения из-за недостаточной различимости дефекта на фоне металла и нехватки поля зрения при кратных увеличениях.

В таких случаях применяют капиллярный метод контроля.

При капиллярном контроле индикаторные вещества проникают в полости поверхностных и сквозных дефектов материала объектов контроля, в последствие образующиеся индикаторные линии или точки регистрируются визуальным способом или с помощью преобразователя.

Контроль капиллярным методом осуществляется в соответствии с ГОСТ 18442-80 “Контроль неразрушающий. Капиллярные методы. Общие требования.”

Главным условием для обнаружения дефектов типа нарушения сплошности материала капиллярным методом является наличие полостей, свободных от загрязнений и других технических веществ, имеющих свободный доступ к поверхности объекта и глубину залегания, в несколько раз превышающую ширину их раскрытия на выходе. Для очистки поверхности перед нанесением пенетранта используют очиститель.

 

Назначение капиллярного контроля (капиллярной дефектоскопии)

Капиллярная дефектоскопия (капиллярный контроль) предназначена для обнаружения и инспектирования, невидимых или слабо видимых для невооруженного глаза поверхностных и сквозных дефектов (трещины, поры, непровары, межкристаллическая коррозия, раковины, свищи и т.д.) в контролируемых изделиях, определение их консолидации, глубины и ориентации на поверхности.

 

Применение капиллярного метода неразрушающего контроля

Капиллярный метод контроля применяется при контроле объектов любых размеров и форм, изготовленных из чугуна, черных и цветных металлов, пластмасс, легированных сталей,  металлических покрытий, стекла и керамики в энергетике, ракетной технике, авиации, металлургии, судостроении, химической промышленности, при строительстве ядерных реакторов, в машиностроении, автомобилестроении, электротехники, литейном производстве, медицине, штамповке, приборостроении, медицине и других отраслях. В некоторых случаях этот метод является единственным для определения технической исправности деталей или установок и допуск их к работе.

Капиллярную дефектоскопию применяют как метод неразрушающего контроля также и для объектов из ферромагнитных материалов, если их магнитные свойства, форма, вид и расположение повреждений не позволяют достигать требуемой по ГОСТ 21105-87 чувствительности магнитопорошковым методом или магнитопорошковый метод контроля не допускается применять по техническим условиям эксплуатации объекта. 

Капиллярные системы также широко применяются для контроля герметичности, в совокупности с другими методами, при мониторинге ответственных объектов и объектов в процессе эксплуатации. Основными достоинствами капиллярных методов дефектоскопии являются: несложность операций при проведение контроля, легкость в обращение с приборами, большой спектр контролируемых материалов, в том числе и немагнитные металлы.

Преимущество капиллярной дефектоскопии в  том, что с  помощью несложного метода контроля можно не только обнаружить и индентифицировать поверхностные и сквозные дефекты, но и получить по их расположению, форме ,протяженности и ориентации по поверхности полную информацию о характере повреждения и даже некоторых причинах его возникновения (концентрация силовых напряжений, несоблюдение технического регламетна при изготовлении и пр.).

В качестве проявляющих жидкостей применяют органические люминофоры — вещества, обладающие ярким собственным излучением под действием ультрафиолетовых лучей, а также различные красители и пигменты. Поверхностные дефекты выявляют посредством средств, позволяющие извлекать пенетрант из полости дефектов и обнаруживать его на поверхности контролируемого изделия.

 

Приборы и оборудования применяемые при капиллярном контроле:

•         Наборы для капиллярной дефектоскопии Sherwin, Magnaflux, Helling (очистители, проявители, пенетранты)
•         Пульверизаторы
•         Пневмогидропистолеты
•         Источники ультрафиолетового освещения (ультрафиолетовые фонари, осветители).
•         Испытательные панели (тест-панель)
•         Контрольные образцы для цветной дефектоскопии.

 

Параметр «чувствительность» в капиллярном методе дефектоскопии

Чувствительность капиллярного контроля – способность выявления несплошностей данного размера с заданной вероятностью при использовании конкретного способа, технологии контроля и пенетрантной системы. Согласно ГОСТ 18442-80 класс чувствительности контроля определяют в зависимости от минимального размера выявленных дефектов с поперечными размером 0,1 — 500 мкм.

Выявление поверхностных дефектов, имеющих размер раскрытия более 500 мкм, капиллярными методами контроля не гарантируется.

 

Класс чувствительности              Ширина раскрытия дефекта, мкм

I                                                                    Менее 1

II                                                                   От 1 до 10

III                                                                 От 10 до 100

IV                                                                  От 100 до 500

технологический                                            Не нормируется

 

Физические основы и методика капиллярного метода контроля

Капиллярный метод неразрушающего контроля (ГОСТ 18442-80) основан на проникновении внутрь поверхностного дефекта индикаторного вещества и предназначен для выявления повреждений, имеющих свободный выход на поверхность изделия контроля. Метод цветной дефектоскопии подходит для обнаружения несплошностей с поперечными размером 0,1 — 500 мкм, в том числе сквозных дефектов, на поверхности керамики, черных и цветных металлов, сплавов, стекла и другие синтетических материалов. Нашел широкое применение при контроле целостности спаек и сварного шва.

Цветной или красящий пенетрант наносится с помощью кисти или распылителя на поверхность объекта контроля. Благодаря особым качествам, которое обеспечиваются на производственном уровне, выбор физических свойств вещества: плотности, поверхностного натяжения, вязкости, пенетрант под действием капиллярного давления, проникает в мельчайшие несплошности, имеющие открытый выход на поверхность контролируемого объекта.

Проявитель, наносимый на поверхность объекта контроля через относительно недолгое время после осторожного удаления с поверхности неусвоенного пенетранта, растворяет находящийся внутри дефекта краситель и за счет взаимного проникновения друг в друга “выталкивает” оставшийся в дефекте пенетрант на поверхность объекта контроля.

Имеющиеся дефекты видны достаточно четко и контрастно. Индикаторные следы в виде линий указывают на трещины или царапины, отдельные цветовые точки — на одиночные поры или выходы.

 

Процесс обнаружения дефектов капиллярным методом разделяется на 5 стадий (проведение капиллярного контроля):

1. Предварительная очистка поверхности (используют очиститель)
2. Нанесение пенетранта
3. Удаление излишков пенетранта
4. Нанесение проявителя
5. Контроль

 

 

Капиллярный контроль. Цветная дефектоскопия. Капиллярный метод неразрушающего контроля.

• Хиты продаж
• Новинки
• Акции

Капиллярный метод неразрушающего контроля (кнк) (капиллярная дефектоскопия)

Капиллярный метод неразрушающего контроля (кнк) (капиллярная дефектоскопия)

Этот метод пригоден только для выявления дефектов, проявляющихся на поверхности контролируемого объекта. Он основан на проникновении специальной жидкости — пенетранта — в полости поверхностных и сквозных несплошностей объекта контроля, в извлечении пенетранта из дефектов с помощью проявляющего покрытия и фиксировании пенетранта. Глубина дефектов, обнаруживаемых КНК должна значительно превышать их ширину. Если ширина поверхностного повреждения больше его глубины (риска, царапина), то оно легко заполняется пенетрантом и так же легко удаляется из повреждений. Такие дефекты, как правило, КНК не выявляются.

 

КНК обычно используют для обнаружения дефектов, не видимых невооруженным глазом. Его абсолютную чувствительность определяют средним раскрытием дефекта типа трещин длиной 3-5 мм. выявляемого с заданной вероятностью.

Индикаторные рисунки, образующиеся при контроле, либо обладают способностью люминесцировать в ультрафиолетовых лучах, либо имеют окраску, вызываемую избирательным поглощением (отражением) части падающих на них световых лучей. Линии индикаторного рисунка имеют ширину от 0.05 до 0.3 мм (на расстоянии наилучшего зрения это соответствует угловой ширине от 15″ до Г30″). яркостный контраст 30-60% и более, а также высокий цветовой контраст. Это значительно выше соответствующих параметров поверхностных дефектов, обнаруживаемых визуально (угловой размер от Г до 10″. яркостный контраст 0-5%. цветовой контраст отсутствует).

При КНК ставятся следующие задачи: обнаружение дефекта, определение направления дефекта относительно конфигурации детали, определение размеров и формы дефекта.
В процессе КНК осуществляется следующая маркировка дефектов;
а — по количеству дефектов: А — одиночные дефекты. Б — множественные дефекты. В — сплошные дефекты:
б — по направлению дефектов:
|| -дефекты, параллельные направлению изделия:
_|_ — дефекты, перпендикулярные направлению изделия;
Z -дефекты, расположенные под углом к направлению изделия.
Основными объектами КНК являются неферромагнитные материалы: лопатки турбин из никелевых сплавов, в том числе авиационных турбин: титановый крепеж для летательных и космических аппаратов: литые детали из цветных металлов для электроники и систем автоматического управления: детали приборов и аппаратов нефтяной и химической промышленности.

 КНК позволяет диагностировать объекты контроля любых размеров и форм, изготовленных из чёрных и цветных металлов и сплавов, пластмасс, стекла, керамики, а также других твёрдых неферромагнитных материалов. При этом выявляются такие дефекты, как трещины, пористость, рыхлоты.

При КНК применяют следующие материалы:

1.    В качестве пенетранта — различные жидкие растворы, чаше всего на основе керосина, в который добавляются красители или люминофоры, светящиеся под действием ультрафиолетового излучения. Например, пенетрант «А» состоит из 700 мл керосина, 300 мл бензина Б-70. 30 г тёмно-красного красителя. Пенетрант «Е» состоит из керосина (800 мл), бензола (200 мл) и тёмно- красного красителя. Существуют пенетранты. у которых в керосин добавлены ацетон, бензин и краситель, или трансформаторное масло, скипидар и краситель, и ряд других.
Люменисцирующие пенетранты представляют собой смеси органических растворителей, масел, керосина с добавками поверхностно-активных веществ (ПАВ) и люминесцирующих веществ: масел, нефти, норнола, эмульсола и др.
2.    Очищающую жидкость, которая предназначена для удаления пенетранта с поверхности контролируемого объекта. В качестве очищающих жидкостей используются вода, вода с добавлением ПАВ. органические растворители, смесь масла с керосином и другие жидкости. Например, масло МК-8-65% объема, толуол — 30%. эмульгатор ОП-7
3.    Гаситель, который представляет собой состав для устранения окраски или люминесцентных остатков пенетранта без удаления его с контролируемой поверхности. В качестве гасителей используется, например, вода с кальцинированной содой (гаситель О201). спирт с поверхностно активным веществом ОП-7 (гаситель О300) и другие вещества.
4.    В качестве проявляющих веществ — агар-агар, крахмал, порошок окиси магния, суспензия каолина в ацетоне и многие другие материалы, которые адсорбируют пенетрант. проникший в дефекты, и тем самым позволяют фиксировать их на поверхности контролируемого объекта.

Для выполнения КНК применяется следующая аппаратура:

1    — ванны для мойки и насыщения изделия пенетрантом:
2    — шкафы для сушки изделий:
3    — устройства для нанесения пенетранта:
4    — оптические устройства для фиксации дефектов визуально, с помощью фотосъёмок и для облучения пенетранта ультрафиолетовыми лучами в случае применения люминесцирующих веществ.

Проникающую жидкость наносят на предварительно очищенную поверхность деталей, чтобы заполнить полости возможных поверхностных дефектов. Продолжительность контакта жидкости с поверхностью детали зависит от физических свойств жидкости, характера обнаруживаемых дефектов и способа заполнения жидкостью полостей дефектов. 

 

В табл. 4.1 приведены способы заполнения полостей дефектов пенетрантом. Наиболее простым и распространенным в производственных условиях является капиллярный способ. При этом для улучшения проникновения жидкости в полости может подогреваться проникающая жидкость или проверяемая деталь.

При вакуумном способе деталь помешают в герметичную камеру, из которой откачивают воздух. После подачи проникающей жидкости камеру разгерметизируют. Жидкость заполняет полости дефектов под действием капиллярного и атмосферного давлений. При разрежении около 1 Па выявляются трещины шириной на порядок меньше, чем при капиллярной пропитке.

При компрессионном способе жидкость быстро заполняет полости дефектов под действием капиллярного и внешнего избыточного давлений. При этом достигается более полное заполнение полостей дефектов, однако многие пенетранты изменяют свои свойства при увеличении давления — увеличивается вязкость, ухудшается смачиваемость твердых тел. в результате эффективность способа невелика.

При ультразвуковом способе ускоряется процесс заполнения полостей дефектов, особенно загрязненных. Высокой эффективности способ достигает при использовании пенетрантов средней и высокой вязкости (нориола, шубнкола. смесей масла с керосином), когда направление колебаний совпадает с плоскостью полости дефекта.

Под воздействием статических сил увеличивается ширина раскрытия полости дефектов, улучшаются условия заполнения этих полостей н выявления дефектов ннзковязкимн жидкостями.
При обычных условиях, например, заполнение поверхностных трещин раскрытием 0.002 мм и глубиной происходит за 20 с: такая же трещина глубиной 3 мм полностью заполняется примерно за 40 с.
Скорость заполнения сквозных дефектов зависит от их размеров и конфигурации, время заполнения измеряется секундами.

Индикаторные пенетранты для красок и люминофоров, приготовленные на основе растворителей (керосин, бензин и т.п.). достаточно быстро испаряются. Длительная выдержка пенетранта на контролируемой поверхности может привести к его высыханию и выпадению в виде осадка из частиц красителя или люминофора. Эти частицы, являясь сорбентом, могут привести к извлечению пенетранта из устья дефекта: в результате выявление дефектов при контроле ухудшается. Для предотвращения высыхания можно периодически наносить дополнительно пенетрант. однако это процесс трудоемкий, особенно при контроле больших площадей, поэтому время нахождения пенетранта на контролируемой поверхности обычно ограничено 3-5 мин. После этого индикаторный пенетрант необходимо удалить с поверхности КО.

Способы удаления проникающей жидкости с поверхности выбирают с учетом необходимости сохранения ее в полостях дефектов, а также типа пенетранта. шероховатости поверхности, условий контроля, объема работ и требуемой производительности труда. При локальном контроле  условиях в случае использования невысыхающих жидкостей детали протирают ветошью или бумагой. При большом объеме работ или при контроле шероховатых деталей (с чистотой обработки поверхности ниже пятого класса) этот способ непригоден. В этих случаях применяют промывку органическими растворителей!, водой и пр. Для удаления невысыхающих жидкостей применяют обдувку струей песка, дроби, косточковой крошки, опилок и т.п. Гашением устраняется люминесценция или окраска при использовании специальных проникающих жидкостей. При контроле массовых деталей в цеховых условиях применяют комбинированный способ удаления проникающей жидкости с поверхности деталей.

Полноту удаления пенетранта определяют визуально или (при люминисцентном методе) в ультрафиолетовом свете. Оценку считают удовлетворительной, если отсутствует светящийся или окрашенный фон.

Если фон обнаружен, для повторной очистки используют очиститель типа O-l или 0-2. При температуре окружающего воздуха ниже 8°С индикаторный пенетрант с поверхности КО снимают бязью, смоченной в спирте. Влагу с поверхности изделия удаляют влажной бязью до полного исчезновения с нее капель воды, после чего поверхность считается подготовленной к следующей операции. Проявитель чаще всего наносят кистью. При этом расход проявителя значительно меньше, чем при нанесении его краскораспылителем, окружающий воздух меньше насыщается вредными для человека парами растворителей и аэрозолей.
В цеховых условиях применяют также способ посыпания и способ наложения липких пленок. Затем происходит медленное перемещение мениска в глубь трещины (рис. 4.2) и незначительное увеличение индикаторного следа. Размер индикаторного следа определяется объемом пенетранта. извлеченного из устья трещины, после образования мениска по всей ее протяженности.

Средняя ширина индикаторного следа определяется в основном раскрытием поверхностной единичной трещины. Следовательно, для надежного выявления поверхностных дефектов при проведении технологических операций контроля необходимо обеспечить сохранение пенетранта в устье дефекта от момента нанесения до момента его извлечения из дефекта, поэтому операции по нанесению и удалению проникающей жидкости и нанесению проявителя должны проводиться непосредственно одна за другой с минимальным интервалом времени, не следует допускать длительной сушки поверхности после удаления пенетранта. длительной промывки КО и т.п.

Освещенность исследуемой поверхности должна быть не ниже 50 лк. Контроль проводят в затененном помещении, а в полевых условиях — при местном затемнении. При цветном контроле естественное или искусственное освещение на контролируемом участке должно быть не менее 3000 лк. С поверхностей деталей, прошедших контроль и признанных годными, удаляют проявитель и следы других дефектоскопических материалов одним из перечисленных способов: протиркой, промывкой, анодной обработкой, выжиганием, органическими растворителями.

В некоторых случаях в условиях производства возникает необходимость многократного контроля. Перед повторным контролем проводят полный цикл подготовки изделий, тщательно промывая КО ацетоном, бензином или другими растворителями для удаления остатков дефектоскопических материалов из поверхностных дефектов. Небольшие изделия перед повторным контролем рекомендуется помещать на несколько часов в растворители индикаторного красителя. В качестве иллюстрации влияния первичного контроля на последующие проверки на рис. 4.3 приведены результаты двух серий (каждая по пять раз) контроля образцов из стали, на которых при первичном осмотре было обнаружено 11 единичных трещин.
Осмотр контролируемой поверхности, как правило, проводят дважды: через 5-6 мин для обнаружения крупных дефектов и через 25-60 мин для обнаружения мелких. При люминесцентном методе контроля используют ультрафиолетовое излучение с длиной волны Сумма площадей индикаторных следов, обнаруженных на образцах, изменяется в зависимости от числа проведенных ранее испытаний.
Между сериями испытаний образцы помешали на 8-10 ч в растворители индикаторного красителя. Из рис. 4.3 видно, что такая обработка образцов почти полностью исключает влияние загрязнений дефектов остатками дефектоскопических материалов, используемых на предыдущих стадиях контроля.

 

КНК подразделяется на четыре уровня, как указано в табл. 4.2.

У КНК есть верхний и нижний пределы чувствительности. Верхний предел определяется наибольшей шириной дефекта, при которой пенетрант полностью вытекает из него, образуя размытое облако. Нижний предел определяется настолько малым дефектом, что проникшего в него пенетранта недостаточно для обнаружения.

Чувствительность КНК определяется геометрическим к. и оптическим ко факторами: KKHK=f(kr. ko). где f- знак функции.

Геометрический фактор определяется как k=l-y/b, где у— ширина устья дефекта, a b — ширина выделившегося пенетранта. как показано на рис. 4.4.

Здесь 1 — контролируемое изделие. 2 — проявитель. 3 — дефект. В6 и Ва — интенсивности света, отражённого от проявителя (фон) и от выделившегося из дефекта пенетранта. Оптический фактор определяется отношением интенсивностей света: ко= В./ Вп .

Приборы для КНК выпускаются серийно. В качестве примеров приведём отечественный прибор ЛДА-3 н прибор США «Тнн-Kq) АФБ». Последний позволяет контролировать в течение часа до 500 лопаток турбин.

Основные положения, которые необходимо знать при КНК. следующие.

1. Подготовку изделий к контролю (удаление жидкостей из поверхностных дефектов) можно проводить путем их нагрева или нанося на их поверхность проявитель. При нагреве изделий выше температуры кипения жидкостей происходит удаление жидкости из дефектов за счет образования пузырьков пара. Температура, при которой происходит выброс жидкости из дефекта, зависит от величины раскрытия дефекта. При широких является практически мгновенно. При нагреве изделий ниже температуры кипения жидкости очистка дефектов происходит за счет испарения жидкостей и пленочного массопереноса ее по стенкам дефекта. Нанесение проявителя на контролируемую поверхность обеспечивает удаление жидкости из устья дефектов приблизительно за 20 мин.
2.    Размер индикаторного следа от поверхности единичной трещины определяется в основном объемом индикаторного пенетранта. находящегося в устье трещины, поэтому надежное выявление поверхностных дефектов обеспечивается при условии сохранения пенетранта в устье дефекта от момента его нанесения до момента извлечения его из дефекта.
3.    Осмотру с целью обнаружения дефекта не подвергаются детали, состояние проявителя в зонах контроля которых затрудняет видимость индикаторных рисунков. Например, при цветовом варианте КНК осмотру не подвергаются детали, если в слое проявителя имеются пятна не удаленной красной проникающей жидкости, пятна и потеки масляно-керосиновой смеси, непокрытые проявляющей краской участки зоны контроля, частицы пыли, ветоши, следы каких-либо посторонних материалов (из-за применения загрязненных инструментов, приспособлений — краскораспылителей, кистей, захватов и др.).

Общий осмотр проводят невооруженным глазом или с применением луп малого увеличения с большим полем зрения 2.

Размер индикаторного следа от поверхности единичной трещины определяется в основном объемом индикаторного пенетранта. находящегося в устье трещины, поэтому надежное выявление поверхностных дефектов обеспечивается при условии сохранения пенетранта в устье дефекта от момента его нанесения до момента извлечения его из дефекта.
3.    Осмотру с целью обнаружения дефекта не подвергаются детали, состояние проявителя в зонах контроля которых затрудняет видимость индикаторных рисунков. Например, при цветовом варианте КНК осмотру не подвергаются детали, если в слое проявителя имеются пятна не удаленной красной проникающей жидкости, пятна и потеки масляно-керосиновой смеси, непокрытые проявляющей краской участки зоны контроля, частицы пыли, ветоши, следы каких-либо посторонних материалов (из-за применения загрязненных инструментов, приспособлений — краскораспылителей, кистей, захватов и др.).

Общий осмотр проводят невооруженным глазом или с применением луп малого увеличения с большим полем зрения. При осмотре отыскивают окрашенный или люминесцирующнй индикаторный рисунок, обращая внимание на основные признаки:

— Трещины любого происхождения, волосовины, закаты, неслитнны. непровары. неспаи, плены выявляются в виде четких, иногда прерывистых окрашенных линий различной конфигурации (рис.4.5. 4.6)
— Растрескивание материала, межкристаллнтная коррозия участков поверхности крупнозернистых сплавов проявляются в виде группы отдельных коротких линий или сетки (рис.4.7. б)
— Межкристалльная коррозия участков поверхности мелкозернистых сплавов выявляется в виде пятен, размытых полос:
— Поры, язвенная коррозия, выкрашивание материала, эрозионные повреждения поверхности выявляются отдельными точками, звездочками (рис.4.7, а).

Обнаружение рисунка, соответствующего указанным выше основным признакам, служит основанием для анализа допустимости дефекта по его размеру, положению, характеру.

К недостаткам КНК следует отнести высокую трудоемкость контроля при отсутствии механизации; сложность механизации и автоматизации процесса контроля: большую длительность процесса (от 0.5 до 1.5 ч): снижение достоверности результатов при отрицательных температурах, необходимость удаления лакокрасочных покрытий и тщательной предварительной очистки контролируемых деталей: низкую вероятность обнаружения дефектов, перекрытых окисными пленками или сжатых значительными остаточными или рабочими напряжениями в детали: громоздкость стационарного оборудования: вредность некоторых дефектоскопических материалов для персонала и необходимость использования защитных приспособлений и вентиляции: субъективность контроля, зависимость достоверности результатов от умения и состояния контролера: ограниченный срок хранения дефектоскопических материалов, зависимость их свойств от продолжительности хранения и температуры среды.

Капиллярный контроль — виды, особенности и этапы

25.10.2016

Капиллярный контроль сварных соединений

Капиллярный метод контроля основан на проникновении индикаторной жидкости (пенетранта) в поверхностные дефекты и последующей регистрации индикаторных следов визуальным способом или с помощью дополнительных средств.

Требования к капиллярному контролю

Данный способ неразрушающего контроля используется только при наличии поверхностных или сквозных дефектов. Необходимыми условиями успешного проведения капиллярной дефектоскопии являются отсутствие загрязнения на поверхности объекта, хорошая смачиваемость пенетрантом поверхности контроля, при этом глубина дефекта (несплошности) должна значительно превышать ширину ее раскрытия.

Этапы проведения капиллярного контроля

• Подготовка объекта к контролю. Включает в себя: очистку поверхности измеряемого объекта и измеряемых дефектов (снятие загрязнений, лакокрасочных покрытий), сушка поверхности перед нанесением пенетрантов.
    Способы подготовки:
  • механический — очистка струёй абразивного материала (песком, дробью, косточковой крошкой) или механической обработкой;
  • паровой — очистка при помощи паров органических растворителей;
  • растворяющий — очистка промывкой, протирка с применением воды, водных моющих растворов или легколетучих растворителей;
  • химический — очистка жидкими химическими реактивами;
  • электрохимический — очистка водными растворами химических реактивов с одновременным воздействием электрического тока;
  • ультразвуковой — очистка растворителями, водой или водными растворами химических соединений в ультразвуковом поле с использованием ультразвукового капиллярного эффекта;
  • анодно-ультразвуковой — очистка водными растворами химических реактивов с одновременным воздействием ультразвука и электрического тока;
  • тепловой — очистка прогревом при температуре, не вызывающей недопустимых изменений материала контролируемого объекта и окисления его поверхности;
  • сорбционный — очистка смесью сорбента и быстросохнущего органического растворителя, наносимой на очищаемую поверхность, выдерживаемой и удаляемой после высыхания.

  Необходимые способы очистки, их сочетание и требуемую чистоту контролируемых поверхностей определяют в технической документации на контроль. При заданном высоком классе чувствительности контроля предпочтительны не механические, а химические и электрохимические способы очистки, в том числе с воздействием ультразвука или электрического тока. Эффективность этих способов обусловлена оптимальным выбором очищающих составов, режимов очистки, сочетанием и последовательностью используемых способов очистки, включая сушку.

• Нанесение дефектоскопических материалов. Заключается в нанесении индикаторных жидкостей (пенетрантов) на поверхности и в полости дефектов и удалении излишка пенетрантов.
  Способы нанесения:
  
  • капиллярный — самопроизвольное заполнение полостей дефектов индикаторным пенетрантом, наносимым на контролируемую поверхность смачиванием, погружением, струёй, распылением сжатым воздухом, хладоном или инертным газом;
  • вакуумный — заполнение полостей дефектов индикаторным пенетрантом при давлении в их полостях менее атмосферного;
  • компрессионный — заполнение полостей дефектов индикаторным пенетрантом при воздействии на него избыточного давления;
  • ультразвуковой — заполнение полостей дефектов индикаторным пенетрантом в ультразвуковом поле с использованием ультразвукового капиллярного эффекта;
  • деформационный — заполнение полостей дефектов индикаторным пенетрантом при воздействии на объект контроля упругих колебаний звуковой частоты или статического нагружения, увеличивающего минимальный размер дефектов.

  Способ нанесения определяют в технической документации на контроль. Температура контролируемого объекта, продолжительность заполнения полостей дефектов, температура индикаторного пенетранта должна быть в пределах, указанных в технической документации на данный дефектоскопический материал и объект контроля. Продолжительность заполнения полостей дефектов определяют в технической документации на контроль объектов.

• Обнаружение дефектов и расшифровка полученных данных.
  
• Очистка объекта
  

Гост капиллярный метод контроля

Капиллярная дефектоскопия регламентируется по ГОСТ 18442-80 «Контроль неразрушающий. Капиллярные методы» и ГОСТ 24522-80 «Контроль неразрушающий капиллярный. Термины и определения».

К списку статей

Diex — Капиллярный контроль металла

Капиллярная дефектоскопия предназначена для обнаружения дефектов, выходящих на поверхность контролируемых объектов: трещин, пор, раковин, непроваров, с возможностью проведения 100% контроля поверхности без ее разрушения.

В проведении капиллярного контроля можно выделить 5 этапов:

1 – предварительная очистка поверхности. 

Чтобы краситель мог проникнуть в дефекты на поверхности, ее предварительно следует очистить водой или органическим очистителем. Все загрязняющие вещества (масла, ржавчина, и т.п.) любые покрытия (ЛКП, металлизация) должны быть удалены с контролируемого участка. После этого поверхность высушивается, чтобы внутри дефекта не оставалось воды или очистителя.

2 – нанесение пенетранта.

Пенетрант, обычно красного цвета, наносится на поверхность путем распыления, кистью или погружением объекта контроля в ванну, для хорошей пропитки и полного покрытия пенетрантом. Как правило, при температуре 5…50°С, на время 5…30 мин. Соответствующие дефектоскопические наборы позволяют проводить контроль при отрицательных температурах: пенетрант Sherwin LPT-82, очиститель Sherwin N-120, проявитель Sherwin D-106 при температуре -30…+10°С, пенетрант Rot 3000  фирмы HELLING применяется при температуре -10…+50°С,

3 — удаление излишков пенетранта.

Избыток пенетранта удаляется протиркой салфеткой, промыванием водой, или тем же очистителем, что и на стадии предварительной очистки. При этом пенетрант должен быть удален только с поверхности контроля, но никак не из полости дефекта. Затем поверхность высушивается салфеткой без ворса или струей воздуха. 

.

4 – нанесение проявителя.

После просушки сразу же на поверхность контроля тонким ровным слоем наносится проявитель (обычно белого цвета, для большего контраста).

 

5 - контроль.

Через 10 минут после нанесения проявителя, проводится фиксация и измерение всех индикаций, проявившихся на объекте контроля.

при температуре +10…+50°С

при температуре -30…+10°С.

Примеры:

Классификация капиллярных методов контроля

Основными разновидностями капиллярных методов являются цветной, люминесцентный, люминесцентно-цветной, яркостный и фильтрующихся суспензий.

При цветном методе в качестве индикаторной жидкости используются ярко окрашенные жидкости. Красный цвет обеспечивает наиболее высокий цветовой контраст, он обладает наибольшим возбуждающим действием на человека, обеспечивает наиболее быстрое возникновение зрительного ощущения и быструю реакцию дефектоскописта. Красный цвет даёт индикаторный рисунок дефекта, который легко отличить от рисунков, похожих на трещины, внешних повреждений: рисок, царапин, заусенцев и других внешне похожих на дефекты, но не представляющих опасности повреждения металла. Красные красители видны в очень тонком слое проявителя.

Дефекты выявляются по индикаторным следам на фоне проявителя (обычно белого цвета). Для цветного метода используется естественное освещение, лампы накаливания или комбинированное освещение. Чувствительность цветного метода соответствует II уровню, при котором выявляются дефекты с раскрытием не менее 1 мкм. Цветной метод является наиболее распространенным среди капиллярных методов неразрушающего контроля. Одним из его серьезных преимуществ является то, что он может быть использован при обычном освещении, а комплект необходимых материалов может быть размещён в небольшой переносной сумке.

Люминесцентный метод контроля обладает большей чувствительностью, но требует применения специального облучения ультрафиолетовым светом и затемненного помещения для осмотра изделия. При люминесцентном методе контроля дефект заполняется индикаторной жидкостью, которая представляет собой раствор либо суспензию люминофора в смеси органических растворителей, керосина, масел и ПАВ. При проявлении извлеченный из дефекта люминофор дает на темном фоне контрастный, светящийся под действием ультрафиолетовых лучей след, что позволяет выявлять дефекты раскрытием более 0,1 мкм. В связи с повышенной чувствительностью человеческого глаза в желто-зеленой области применяются люминофоры с максимальной световой отдачей именно в этой области спектра.

Люминесцентно-цветной метод – самый высокочувствительный метод выявления поверхностных дефектов. Это жидкостный метод капиллярного неразрушающего контроля, основанный на регистрации контраста цветного или люминесцирующего индикаторного рисунка на фоне поверхности объекта контроля в видимом или в длинноволновом ультрафиолетовом излучении. Более высокая чувствительность метода достигается в ультрафиолетовом свете и растет с увеличением освещённости контролируемой поверхности. Этот комбинированный метод объединил и расширил возможности двух различных методов дефектоскопии.

Один из наиболее простых методов капиллярного контроля – яркостный (ахроматический) метод. Его называют меловой или керосино-меловой пробой, так как в качестве индикаторной жидкости используется керосин. На проявителе на основе мела или каолина керосин вызывает потемнение следа по сравнению с общим белым фоном непропитанного керосином порошка каолина или мела. Этот самый старый метод контроля много десятилетий обеспечивал безопасность подвижного состава железнодорожного транспорта. Он использовался для контроля полированной шейки колесной пары вагонов и локомотивов – самой нагруженной части подвижного состава и самой опасной, так как большинство аварий на транспорте происходит из-за дефектов осей. В депо этот метод встречается до сих пор, с использованием, правда, окрашенного керосина и т.п.

Метод фильтрующихся суспензий использует в качестве жидкого проникающего вещества индикаторные суспензии, которые образуют индикаторный рисунок из отфильтрованных частиц дисперсной фазы. Обладает сравнительно низкой чувствительностью. Различают его цветную, люминесцентную и люминесцентно-цветную разновидности.

Кроме перечисленных выше основных методов контроля применяются комбинированные капиллярные методы, которые классифицируются в зависимости от характера используемых для интенсификации контроля физических полей и особенностей их взаимодействия с контролируемым объектом.

Капиллярная дефектоскопия для неразрушающего контроля, принципы действия, технологии, материалы

Своевременное выявление непроваров сварных швов, трещин, пор в пластмассовых, металлических или керамических изделиях произвольной формы и различных размеров, обеспечивает продолжительную безаварийную эксплуатацию устройств и механизмов, собранных из этих деталей. Одним из наиболее действенных методов неразрушающего контроля (НК) при поиске внутренних повреждений материалов и конструкций является капиллярная дефектоскопия.

---

Принцип действия метода капиллярной дефектоскопии

В различных отраслях промышленности и строительстве методы НК применяются для обнаружения в материалах и конструкциях поверхностных и сквозных микроскопических дефектов, найти которые без специальных оптических приборов невозможно. Для поиска такого рода повреждений используется капиллярная дефектоскопия.

В основе этого неразрушающего метода лежит капиллярный эффект. Его суть заключается в капиллярном заполнении трещин, царапин и пор пенетрантами – специальными жидкими цветными веществами. Нанесенный после этого на поверхность объекта контроля проявитель растворяет красящие вещества и благодаря диффузии очищает от них дефектные зоны. В результате чего, за счет контраста между одноцветной плоскостью и окрашенными повреждениями, они становятся доступны для количественной и качественной оценки при помощи визуального контроля. На поверхности объекта контроля трещины и поры величиной даже в несколько микрон, смотрятся как линии и точки. Капиллярная дефектоскопия используется также при НК сварных швов для обнаружения непроваров, раковин, свищей, а также их локализации, определения размеров и ориентации.

Достоинства и недостатки метода капиллярной дефектоскопии

Капиллярной дефектоскопии характерны, как положительные стороны, так и недостатки. К его достоинствам относятся:

• простая методика проведения процесса неразрушающего контроля;
• применимость капиллярного метода к различным материалам, включая немагнитные металлы;
• возможность локализации дефектных зон, определения их величины, конфигурации и ориентации, что позволяет определить технические причины образования дефектов для недопущения их возникновения в дальнейшем.

К негативным сторонам капиллярного метода относятся следующие:

• невозможность обнаружения повреждений, не выходящих на поверхность объекта контроля;
• низкую вероятность выявления поверхностных и сквозных дефектов, раскрытие которых превышает 500 мкм;
• высокая трудоемкость капиллярного метода, поскольку каждое исследование длится от 0,5 до 1,5 часов;
• невозможность автоматизации контроля;
• влияние температуры окружающего воздуха на достоверность капиллярного метода;
• значительная зависимость результатов капиллярного метода от человеческого фактора;
• влияние на качество дефектоскопических химикатов условий и продолжительности хранения и зависимость технических результатов от качества дефектоскопических химикатов.

Несмотря на отдельные негативные стороны, капиллярная дефектоскопия остается эффективным неразрушающим способом поиска поверхностных и сквозных дефектов.

Технология метода капиллярной дефектоскопии

Для получения реальной картины расположения, количества и размеров повреждений на поверхности объекта контроля, обнаруженных методом капиллярной дефектоскопии, последовательно выполняются:

1. Очистка, в ходе которой с поверхности объекта контроля убираются масложировые пятна, металлизация и другие покрытия. Поверхность, обработанная предварительно нанесенными растворителем или водой, высушивается с тем, чтобы в дефектах было пусто и сухо;
2. Обработка красящим веществом, нанесенным кистью, распылителем или посредством погружения на период 5 до 30 минут изделия в ванну с красителем температурой 5°С – 50°С, что позволяет добиться полноценного покрытия объекта контроля. В этот момент за счет капиллярного эффекта краситель заполняет полости дефекта;
3. Подготовка к нанесению проявителя. На этом этапе поверхность очищается от излишков красящего вещества, посредством очистки поверхности объекта контроля мягким тампоном, смоченным водой или растворителем. При этом пенетрант убирается с поверхности, но в полости дефекта он должен остаться. После обработки, рабочая плоскость высушивается;
4. Формирование слоя проявителя. На объекте слой проявителя формируется сразу после высушивания поверхности контроля. Он растворяет красящее вещество, заполняющее дефектную полость, и благодаря диффузии поднимает цветной раствор на поверхность, визуально обозначая место повреждения. При правильности выполнения операций метода капиллярной дефектоскопии величина цветного следа оказывается значительно больше реальной величины поверхностного дефекта. Для выявления сквозных трещин в ходе НК тонкостенных изделий хороший результат дает использование пенетранта и проявителя, нанесенных с противоположных сторон. Красящее вещество, прошедшее за счет капиллярного эффекта сквозь стенки изделия, контрастирует с фоном на другой его стороне;
5. Контроль. На высохшем проявителе поверхностные дефекты выделяются цветными отметками на белом фоне – линиями или скоплением точек. При этом более насыщенный цвет сигнализирует о большей глубине дефекта. Трещины, несплавления, складки, обнаруженные в сварных швах, также выглядят, как цветные линии. Если в ходе капиллярного контроля использовались люминесцентные составы, результаты рассматриваются в темном помещении с применением ультрафиолетовых приборов. Дефекты при этом смотрятся желто-зелеными светящимися линиями и точками.

Технические итоги капиллярного контроля объекта подлежат визуальной оценке и могут фиксироваться на фото-, видеоносители или переноситься на клейкую ленту.

Оценка результативности контроля капиллярным методом

Результативность контроля капиллярным методом становится оценка размеров поверхностных и сквозных дефектов, выявленных по итогам наблюдения и регистрации следов, оставленных индикаторами. Оценка результата производится в соответствии с классом чувствительности капиллярного метода — возможности обнаружения и регистрации поверхностных дефектов с определенной степенью вероятности за счет применения неразрушающего способа, регламентированной методики и определенного пенетранта. ГОСТ 18442-80 регламентирует взаимозависимость класса чувствительности контроля и минимальной величины обнаруженных в ходе капиллярного НК поверхностных дефектов:

• минимальная ширина раскрытия дефекта менее 1 мкм — соответствует I классу чувствительности контроля;
• ширина от 1 до 10 мкм – II класс чувствительности контроля;
• 10 – 100 мкм – III класс;
• 100 – 500 мкм – IV класс;
• более 500 мкм – чувствительность контроля не нормируется.

Технические требования по характеристикам контроля объекта, а также необходимые показатели качества предъявляет разработчик изделия или полуфабриката.

Дефектоскопические материалы

Степень достоверности визуальной оценки итогов капиллярного контроля, зависит от качества целевых наборов дефектоскопических материалов, соответствующих условиям, которые предъявляются к объекту контроля. Целевой набор комплектуется химикатами:

• пенетрантом;
• очистителем;
• проявителем.

Химикаты из наборов или сочетаний должны обладать взаимной совместимостью и не должны снижать технического качества контролируемых сред, полуфабрикатов или изделий.

Один из лидеров отечественного рынка дефектоскопии – компания «Литас» из Казани предлагает наборы и сочетания химикатов, необходимых при использовании капиллярного метода:

• проявитель Magnaflux SPOTCHECK SCD-S2 используется при температурах от -5°С до +50°С, совместимый с темно-красным пенетрантом Magnaflux SPOTCHECK SKL-SP2 и очистителем SKC-S;
• проявитель Sherwin D-106 пригодный для использования при температуре до -30°С совместно с очистителем Sherwin N-120 и низкотемпературным пенетрантом Sherwin LTP-82;
• проявитель для цветной дефектоскопии Helling NORD TEST U-89 обеспечивающий индикацию дефектов до 0,00025 мм размерами, применимый при температурах от -10°С до +100°С, совместимый с темно-красным пенетрантом Helling NORD TEST U-88;
• проявитель Sherwin D-100, совместимый с универсальным темно-красным пенетрантом Sherwin DP-55, очистителем Sherwin DR-60 в диапазоне рабочих температур от +10°С до +50°С.

Проявитель Sherwin D-100	Проявитель U-89	Очиститель Magnaflux SKC-S

Эти наборы и сочетания химикатов позволяют обнаружить поверхностные дефекты любых размеров и конфигурации, они охватывают весь спектр подлежащих контролю сред, изделий и полуфабрикатов по всем классам чувствительности.

Качество дефектоскопических химикатов, а также правильность методики капиллярного контроля проверяется стандартным образцом – эталоном. Образец – эталон, это пластина из стали Ст20 с выполненной на ее поверхности тупиковой трещиной, ширина раскрытия которой соответствует I, II или III классу чувствительности капиллярного контроля.

определение, сущность, классификация, характеристика, способы и особенности применения

После сварки проводится обязательная дефектоскопия для определения качества сварного шва, его структуры поверхности и параметров дефекта. Осмотр должен проводиться неразрушающим образом, чтобы не повредить обрабатываемую деталь или используемую конструкцию. Этим требованиям отвечает метод капиллярного контроля, широко применяемый как в строительстве, так и в отраслях, связанных с применением сварочных работ.

Что такое дефектоскопия капилляров?

Это один из самых популярных методов обнаружения дефектов на поверхности целевой заготовки. Важно подчеркнуть применимость контроля именно для определения параметров внешних возмущений — этот метод не используется для диагностики внутренней структуры шва. После завершения сварки методом капиллярного контроля мастер может записать такие характеристики дефектов, как положение поверхности, длину, ориентацию и т. Д.Чаще всего целевыми дефектами являются трещины и недостаточные заглубления.

Но почему так важно использовать специальную технику, игнорируя стандартный визуальный осмотр, пусть даже с подключением профессиональной оптики? Одним из основных преимуществ этого метода является возможность обнаружения мелких дефектов, которые можно не заметить при традиционном визуальном осмотре. Использование оптического оборудования, например микроскопа или лупы, не позволит вам обнаружить дефекты из-за их низкого контраста на фоне металлической поверхности, не говоря уже о небольшом поле зрения при значительном увеличении.В свою очередь, капиллярная техника позволяет с высокой точностью исправлять дефекты в больших заготовках.

Требования к организации работ и методике их выполнения регламентируют нормы нормативного документа на метод капиллярного контроля — ГОСТ 18442. В соответствии с официальным определением данная технология проверки качества сварных швов представлена ​​как способ анализа и записи сквозных и поверхностных неоднородностей материала. Кстати, происхождение заготовки в производственной или строительной среде не имеет значения: помимо черных и цветных металлов, технология успешно работает с керамикой, пластиком и стеклом.

Суть метода

Принцип действия метода капиллярного контроля заключается в выявлении структуры дефекта с помощью красящего пенетранта, обрабатывающего поверхность мишени. Высокая проникающая способность активного состава позволяет ему проникать в мельчайшие поры поверхности, отмечая контуры трещин или неплавления ярким цветом. Поэтапную технологию производства капиллярного метода контроля сварных швов можно представить следующим образом:

• Подготовка поверхности.Качество дефектоскопии будет зависеть от чистоты рабочей зоны. Малейшее препятствие в виде грязи, пыли и жира может помешать процессу маркировки капилляров. Поэтому проводится очистка поверхности, а иногда и шлифовка с последующей доводкой.
• Нанесение красящего состава. Как правило, используется красный пенетрант. Его распыляют или наносят кистью в достаточном объеме, чтобы масса могла беспрепятственно заполнить все имеющиеся дефекты.
• Очистка от излишков пенетранта.Чтобы в дальнейшем было удобнее контролировать дефектную зону, с поверхности удаляют ненужный красящий раствор. Важно не прикасаться непосредственно к обозначенным контурам трещин.
• Приложение разработчика. Через некоторое время после высыхания пенетранта наносится проявитель — состав белого цвета, что позволит на контрасте выявить структурные нарушения.
• Контроль качества. После завершения процесса разработки оператор фиксирует следы и контуры дефектов.

Функциональную сущность метода капиллярного контроля можно свести к двум технологическим факторам обнаружения дефектов. Во-первых, это описанный процесс точечного визуального проявления структуры трещин и непровара. Во-вторых, это процедура прямой регистрации, измерения и анализа параметров дефекта, но с помощью других функциональных инструментов.

Классификация основных методов капиллярной дефектоскопии

Наиболее значимым признаком разделения разных методов капиллярного контроля является тип индикаторной смеси — один и тот же пенетрант.Выше был рассмотрен наиболее популярный состав красных маркеров, но есть и другие варианты, которые выгодно проявляют себя в различных условиях дефектоскопии. И в этом контексте можно предложить следующую классификацию методов контроля капилляров:

• Люминесцентный. Этот метод предполагает использование раствора или суспензии люминофора в сочетании с органическими растворителями, маслами и керосином. В процессе анализа обнаруженной дефектной структуры специального ультрафиолетового облучения не требуется — даже в темном помещении люминофор обеспечивает достаточный контраст, позволяя зафиксировать микротрещины до 0.Толщина 1 мкм.
• Люминесцентный цветной метод. Дает максимально чувствительный эффект обнаружения внешних дефектов. Модификация люминесцентного индикатора, заключающаяся в использовании длинноволнового ультрафиолетового излучения. Метод используется в лабораторных условиях для фиксации узоров сверхмалых трещин.
• Метод яркости. Его еще называют ахроматическим и является одним из наиболее доступных и простых методов контроля капилляров, возможностей которого достаточно для проверки качества большинства сварных швов.В работе используется керосино-меловая индикаторная жидкость, обеспечивающая контрастное проявление очертаний возможного дефекта.
• Метод суспензии фильтрованной. В данном случае это не жидкость, а своеобразный порошковый подход к проявлению дефекта, что приводит к его крайне низкой чувствительности. Тем не менее использование отфильтрованных дисперсных частиц суспензии в качестве маркера — лучший вариант контроля, когда не допускается обработка поверхности заготовки жидкими растворами.

Комбинированные методы капиллярной дефектоскопии

Группа методов, особенностью которых является сочетание с другими методами неразрушающего контроля поверхности. Причем в основе обязательно должен быть способ обозначения дефекта. Итак, различают следующие комбинированные методы капиллярного контроля сварных швов:

• Капиллярный электростатический. Позволяет идентифицировать дефекты неметаллических деталей по индикаторному следу, который образован частицами наэлектризованного порошка на поверхности пенетранта.
• Капиллярный электроиндуктивный. В качестве дополнительного активного фактора используется электрический проводник, который работает непосредственно по контурам пенетранта без других посторонних включений.
• Капиллярная магнитная частица. Этот метод специально разработан для ферромагнитных намагничиваемых изделий с контролем дефектов вдоль индикаторного следа, образованного ферромагнитным порошком над проникающим слоем.
• Капиллярное излучение. Контроль осуществляется на основании анализа спектра ионизирующего излучения в области дефектной зоны, предварительно обработанной жидкостным индикатором.

Отдельного внимания заслуживает капиллярный метод неразрушающего контроля с использованием стабильных нитроксильных радикалов. Они смешаны с основным составом пенетранта и благодаря парамагнетизму нитроксидов позволяют использовать спектроскопию парамагнитного резонанса. Это высокоточный метод обнаружения микротрещин, глубоко проникающих в структуру материала, где обычные средства внешнего анализа неэффективны.

Характеристики метода капиллярного контроля

В общей группе методов неразрушающего контроля этот метод соответствует второму уровню чувствительности, при котором могут возникать дефекты с потенциалом открытия до 1 мкм.К несплошностям мишени можно отнести дефекты, поперечное сечение которых варьируется в пределах 0,1-500 мкм. Основные физические и рабочие характеристики неразрушающего контроля капилляров включают вязкость, плотность, растяжение и пенетрацию. Во многом показатели по этим параметрам зависят от конкретного индикаторного состава. Например, пропитка со средней проникающей способностью характеризуется хорошей смачиваемостью и высоким поверхностным натяжением. Составы на основе керосина, бензола, жидких масел и скипидара, в частности, обеспечивают поверхностное натяжение до 10-2 Н / м.Что касается коэффициента яркостной контрастности, то он может увеличиваться на 30-50% в зависимости от исходных данных маркера и условий применения метода.

Требования к работам

В нормативно-технической документации приведен следующий комплекс общих требований к контролю неразрушающими капиллярными методами:

• Технология предназначена для неразрушающего дефектоскопа с целью выявления сквозных и поверхностных неоднородностей. в заготовках после сварочных работ.
• В процессе дефектоскопии капиллярными методами необходимо определять размеры трещин, зазоров, сколов и других технологических повреждений, включая их положение и ориентацию на поверхности.
• Капиллярные методы предназначены для управления объектами независимо от их формы и размера.
• Технология также может использоваться для контроля деталей из ферромагнитных материалов. Но в этом случае конфигурация расположения дефектов и магнитные свойства изделия должны соответствовать эксплуатационным характеристикам нанесенного маркировочного состава.

Согласно требованиям ГОСТ при капиллярном методе неразрушающего контроля обращение с пенетрантами и другими индикаторными пропитками из-за химической активности также должно основываться на правилах пожарной безопасности, утвержденных другим ГОСТом — 12.1.004-91.

Подготовка к работе

Сначала проводится визуальный осмотр заготовки и ее поверхностей. Важно заранее отметить участки, которые будут подлежать контролю. Зонирование позволит провести комплексную диагностику без пропуска труднодоступных поверхностей.Далее на условно обозначенных участках выполняется зачистка. На этапе подготовки к выполнению капиллярного контроля сварных соединений ответственных конструкций рекомендуется использовать растворители и обрабатывающие средства. Жидкости для растворения веществ устранят на поверхности следы масляных и жирных пятен, а, например, пескоструйный аппарат удалит с покрытия окалину и ржавчину. Если под рукой нет пневматического инструмента, можно использовать простые абразивные материалы, например металлическую щетку или наждачную бумагу.После механической шлифовки проводят промывку и сушку поверхности.

Использование спецтехники потребует также операции по устранению неисправностей. Типичный метод капиллярного контроля сварных соединений предполагает использование следующих приборов и устройств:

• Комплексное оборудование для неразрушающей диагностики, в которое входят проявители, очистители, средства защиты от проникновения и другие устройства.
• Пистолеты. Средство для распыления жидкого индикатора.
• Пневмогидропистолеты.Также позволяет выполнять операции по очистке в процессе работы и проводить нанесение технологических составов,
,
• УФ-прибор. Скорее дополнительная оснастка, но если требуется качественная диагностика, то без нее не обойтись. Обычно используют УФ-лампы, фонарики и другие осветители с контрастным излучением.
• Тестовая панель. Своеобразная тестовая площадка, на которой выполняются рабочие процедуры. Более того, в некоторых случаях дефектоскопия проводится на дороге, когда необходимо обследовать сварной шов стационарной конструкции.В таких случаях для удобства используются мобильные панели.
• Фотоаппаратура для визуального контроля. На завершающем этапе работы такое оборудование позволяет автоматически регистрировать параметры дефекта на программном уровне.

Капиллярная дефектоскопия

Самый трудоемкий и в то же время ответственный этап дефектоскопии, который можно разделить на отдельные процедуры:

• Заполнение полостей пенетрантом. После зачистки приготовленный раствор наносится в рабочую полость.Техника нанесения может варьироваться от обычной чистки до ультразвукового распыления. Чаще всего для таких целей используют краскопульт. Покрытие формируется ровно, без проседаний и пропусков. Согласно ГОСТу по методу капиллярного контроля для обеспечения высокой проникающей способности температура поверхности должна находиться в диапазоне +10 … + 50 ° С. Температурный режим самого маркера зависит от его состава, но превышает та же +50 ° С нежелательна.
• Регулировка проницаемости. При помощи тряпки или салфетки необходимо удалить излишки нанесенной жидкости, при необходимости тщательно заполняя недостающий объем в местах ее расхождения по трещинам. Поверхности несплошностей не должны контактировать с другими объектами. После этого рабочие зоны оставляют сохнуть.
• Приложение разработчика. Тонкий проявитель белого цвета также наносится распылителями или ручным инструментом в 2-3 слоя. Эта операция, как уже говорилось, требуется для создания контраста между зоной отображения и основанием заготовки.Если капиллярный контроль сварного соединения был проведен правильно, то ширина сформированного маркерного следа будет в несколько раз больше фактической ширины условной трещины стыка, что позволит легко обнаруживать мелкие дефекты.

Регистрация дефектов

Заключительный этап, на котором фиксируются не только факты наличия тех или иных дефектов поверхности, но и их специфические характеристики. Для непосредственного документирования результатов дефектоскопии может использоваться фото- и видеоаппаратура.Если условия не подходят для использования специализированных методов визуального осмотра, то используется липкая лента, на которой сохраняется неоднородный узор. Напротив, капиллярный метод неразрушающего контроля в лабораторных условиях предполагает возможность высокоточной обработки с помощью фото- и рентгеновского оборудования. Отснятые материалы передаются через специальный интерфейс на компьютер, где соответствующее программное обеспечение отображает результаты дефектоскопии в виде наглядных графиков и рисунков мельчайших трещин в структуре заготовки.

Заключение

Данный метод неразрушающей диагностики сварных соединений может быть использован как самостоятельная дефектоскопическая операция, так и при комплексном обследовании конструкций. Во втором случае в первую очередь будет выполняться метод контроля цвета капилляров с указанием возможных очагов несплошности. Далее используются методы внутренней диагностики, выявляющие пустоты и крупные поры в структуре детали. Насколько эффективен этот метод по сравнению с альтернативными методами анализа поверхности после сварки? На сегодняшний день это далеко не самый технологичный метод дефектоскопии — особенно на фоне электромагнитных и ультразвуковых устройств, которые с высокой точностью и с минимальными организационными затратами позволяют получить не менее достойный результат.Тем не менее именно из-за своей простоты и финансовой доступности капиллярный контроль по-прежнему популярен при обследованиях на удаленных объектах, где невозможно полностью использовать современное оборудование.

Контроль капиллярного поведения посредством изменения проницаемости гидрогеля в зависимости от цели для чувствительного визуального количественного обнаружения

Дизайн и изготовление CSDR-датчика

В этой работе кокаиновый аптамер, который был предложен группой Ландри и использовался для разработки различных биосенсоров, используется в конструкции гидрогеля ДНК для обнаружения модельного целевого кокаина в наших устройствах визуального восприятия ²⁸ .Традиционные гидрогелевые пленки, как сообщается в литературе, обычно получали из реакционной смеси, содержащей мономеры и сшивающий агент, которые либо наносили методом центрифугирования на плоскую подложку, либо помещали между двумя плоскими подложками ^13,14,15,29 . В этой работе гелевая пленка была тонко приготовлена ​​в капиллярной трубке, в основе которой лежал принцип термической обратимости ДНК-гидрогеля и принцип капиллярного действия. Как показано на рис. 2, когда предварительно приготовленный ДНК-гидрогель контактировал с горячей капиллярной трубкой, он превращался в жидкий раствор, который затем вводился в капиллярную трубку за счет капиллярного действия.Впоследствии пленка гидрогеля ДНК была сформирована в капиллярной трубке при комнатной температуре для получения CSDR-сенсора. Пленка геля толщиной 0,15 ± 0,01 мм была получена путем регулирования времени (3 с) горячих капилляров в геле. Был проведен статистический анализ толщины гелевой пленки, и выход квалифицированного продукта составил около 90%, как показано на дополнительном рисунке 2. Чтобы гарантировать, что скорость жидкости не будет затронута в наших экспериментах, погрешность толщины гелевой пленки контролируется в пределах ± 0.01 мм.

Рис. 2

Процесс подготовки CSDR-датчика. Сначала готовят ДНК-гидрогель, а затем капиллярную трубку помещают на пластину для нагрева при 90 ° C на 10 мин. Во-вторых, горячая капиллярная трубка вставляется вертикально в приготовленный гидрогель ДНК и затем поднимается через 3 с. В-третьих, под микроскопом отбираются гелевые пленки в капиллярной трубке толщиной 0,15 ± 0,01 мм. Наконец, капиллярная трубка закрепляется на подложке шкалы

Принцип работы CSDR-Sensor

В типичном тесте с использованием CSDR-Sensor сначала устройство размещалось горизонтально.Раствор образца добавляли на пластину-носитель, а затем перемещали пластину-носитель, чтобы коснуться пленки гидрогеля в капиллярной трубке. Таймер с разрешением в десятки миллисекунд использовался для регистрации времени протекания образца через капиллярную трубку определенной длины. Гидрогелевые пленки очень стабильны и чувствительны и привлекают внимание все большего числа исследователей в связи с их потенциальной универсальностью для эффективного обнаружения или восприятия целевых молекул ^13,14,15,16 .Однако эти датчики на основе ДНК-гидрогелевой пленки не получили широкого распространения среди населения, поскольку для точной подготовки они обычно полагаются на дорогостоящее крупномасштабное оборудование и обученный персонал. Проницаемость — одна из характеристик гидрогелей, которая сразу же изменяется во время разрушения геля под действием внешних раздражителей. Проницаемость гелевой пленки трудно измерить, и она не использовалась для сенсоров ДНК-гидрогеля, потому что традиционные гидрогелевые пленки очень мягкие и легко ломаются ^30,31 . В этой работе каждый CSDR-сенсор состоит из пленки гидрогеля ДНК внутри капиллярной трубки и подложки с накипью, как показано на рис.3. Чувствительные гели ДНК используются для блокировки капиллярной трубки и регулирования капиллярного действия через проницаемость мембраны. Капиллярная трубка защищает гель от разрушения, а капиллярное действие позволяет визуально измерить проницаемость геля. Аптамер кокаина разработан как линкер гидрогеля ДНК, который представляет собой молекулу ДНК, которая может связывать кокаин. Последовательности ДНК, используемые для этой работы, показаны в дополнительной таблице 1. В присутствии кокаина аптамер кокаина способен связывать аналит с образованием стабилизированных кокаином конъюгатов.Впоследствии проницаемость будет увеличиваться в результате снижения плотности сшивки. Напротив, пустой образец (без кокаина) не вызовет изменений проницаемости в пленке гидрогеля ДНК. Следовательно, разная проницаемость гидрогеля ДНК приводит к разным скоростям потока раствора образца в капилляре. Таким образом, цель может быть визуально и количественно обнаружена без внешнего электронного устройства и источника питания. Этот гениальный метод обеспечивает портативный, чувствительный и визуальный количественный датчик, который решает проблемы, с которыми сталкиваются при применении гидрогелей ДНК.

Рис. 3

Принцип работы CSDR-датчика. Добавление мишени приведет к разложению гидрогеля до определенной степени, а затем изменит проницаемость геля в капиллярной трубке и отрегулирует капиллярное действие через проницаемость мембраны

Оптимизация линкера аптамера

В этой схеме зондирования поры Размер гидрогелевой сети ДНК играет жизненно важную роль в ее чувствительности. Регулируя концентрацию ДНК-аптамера в гидрогеле, можно изменять размер пор гидрогеля, что может оптимизировать скорость диффузии целевых молекул в гидрогеле, так что гидрогель можно использовать для чувствительного и быстрого обнаружения мишеней в диапазоне концентраций.Размер пор геля определяется концентрацией линкера ДНК. Чтобы получить подходящий гель, были проведены эксперименты по оптимизации. Соответствующие данные показаны на рис. 4a – d. Сначала были выбраны три хорошо сформированных геля, приготовленные из различных концентраций аптамера (50, 70 и 90 мкМ линкерной ДНК в гидрогеле) для дальнейшей оптимизации с целью обнаружения 0 и 100 мкМ растворов кокаина. И время протекания на расстоянии 8 см для растворов кокаина 0 и 100 мкМ записывается как T (0 мкМ) и T (100 мкМ) (рис.4а, слева y -ось) соответственно. Отношение сигнал / шум (SNR) определяется как отношение { T (0 мкМ) — T (100 мкМ)} к T (0 мкМ), что позволяет отличить сигнал от фонового уровня. Как показано на правой оси и на фиг. 4a, SNR плотностей сшивания ДНК составляют 0,23 (50 мкМ линкерной ДНК), 0,93 (70 мкМ линкерной ДНК) и 0,76 (90 мкМ линкерный гидрогель ДНК), соответственно. Поэтому для следующих экспериментов выбран ДНК-гидрогель с концентрацией линкера 70 мкМ.

Рис. 4

Оптимизация и характеристика ДНК-гидрогелей. a Время протекания (слева y -ось) и SNR (справа y -ось), полученные из различных линкерных концентраций гидрогелей для обнаружения 0 и 100 мкМ кокаина с использованием CSDR-сенсора. Каждая точка данных представляет собой среднее значение трех повторов ( N = 3), а полосы ошибок указывают стандартные отклонения. b Модуль упругости G ‘и модуль потери G ″ гидрогеля ДНК (70 мкМ аптамерного линкера) изменяются с деформацией сдвига. c Изменение модуля накопления G ‘значение температурной функции гидрогеля при концентрации линкерной ДНК 70 мкМ. d Модуль упругости G ′ при 25 ° C как функция частоты сдвига для ДНК-гидрогелей, полученных с различной концентрацией аптамерного линкера

Характеристика ДНК-гидрогелей

Затем свойства полученного гидрогеля были охарактеризованы с использованием реологии. Чтобы получить линейную вязкоупругую область, сканирование амплитуды (диапазон деформации сдвига 0.01–1000%) проводили для гидрогелей ДНК 70 мкМ. Рисунок 4b показывает, что модуль накопления и модуль потерь являются постоянными, когда диапазон деформации сдвига составляет 0,1–10%, и характеристики гидрогелей могут быть получены в этом диапазоне. Поскольку гидрогель ДНК основан на блокировании собранных вторичных структур ДНК, которые стабильны только при температуре плавления, такой гидрогель ДНК должен зависеть от температуры. Как показано на фиг. 4c, значение модуля упругости G ′ гидрогеля уменьшается с повышением температуры, а точка перехода в гелеобразование составляет около 40 ° C при концентрации линкера аптамера 70 мкМ.Испытания на частотную развертку проводились в диапазоне от 0,1 до 50 рад с ^-1 с фиксированной деформацией 1% при 25 ° C (рис. 4d). При частотной развертке значение накопительного модуля G ‘увеличивалось с 10 до 900 Па с увеличением концентрации линкера ДНК, что может быть связано с уплотнением гидрогелевой сети ^32,33 . Учитывая результат на рис. 4а, скорость капиллярного потока образца постепенно уменьшается с увеличением концентрации аптамера, что согласуется с результатами анализа модуля накопления.Чем больше модуль накопления, тем меньше размер сетки гидрогеля и соответствующая проницаемость становится ниже. Взаимосвязь между концентрацией аптамера, проницаемостью геля и временем истечения образцов подтвердила возможность управления скоростью капиллярного потока путем регулирования проницаемости гелевой мембраны, что является теоретической основой наших экспериментов.

Впоследствии, как показано на дополнительном рисунке 1a, объем геля (толщина 0,15 мм) рассчитывается как 0,0106 мкл на основе внутреннего диаметра (0.3 мм) капилляра. Кроме того, гидрогель ДНК показывает четко определенные взаимосвязанные трехмерные пористые сети. Судя по изображениям, полученным с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) с большим увеличением на дополнительном рисунке 1b, сеть демонстрирует поры различных микрометровых размеров, что позволяет предположить, что гидрогель может обеспечивать пространство для реакции.

Визуальное количественное определение кокаина

Для дальнейшего исследования точности этого метода на основе гидрогелевой пленки ДНК, функционализированной аптамером, обнаруживаются различные концентрации кокаина.Различные концентрации кокаина вносятся в буфер и обнаруживаются датчиком CSDR в зависимости от времени считывания. Растворы кокаина помещают в контакт с гелевой пленкой в ​​капилляре, и регистрируют время протекания раствора образца. Результаты анализа CSDR-Sensor для обнаружения кокаина показаны на рис. 5a – c. Концентрации кокаина в диапазоне от 0 до 100 мкМ тестируются с помощью трех повторных измерений, каждое из которых проводится параллельно. Как показано на фиг. 5a, при анализе образца кокаина 100 мкМ требуется 2’45 дюймов для раствора образца, чтобы пройти через 6 см длины.Короткое время истечения косвенно отражает увеличение проницаемости в результате снижения плотности сшивания, вызванного высокими концентрациями кокаина. С другой стороны, для образца кокаина 10 нМ требуется 15′30 ″, чтобы позволить раствору пройти через длину 2,6 см, и раствор все еще не достигает положения 6 см через 23′30 ″ (рис. 5a. ). Как показано на рис. 5b и в фильмах (Дополнительный фильм 1 (0 нМ), Дополнительный фильм 2 (1 мкМ). И Дополнительный фильм 3 (100 мкМ) обнаружение кокаина, соответственно), скорость потока образца в капилляре постепенно увеличивается по мере увеличения концентрации кокаина.Высокая концентрация кокаина приводит к тому, что большее количество молекул кокаина связывается с линкером в гидрогеле ДНК, что приводит к увеличению проницаемости гидрогеля ДНК. Рисунок 5c показывает, что время прохождения прямо пропорционально концентрации кокаина. Таким образом, CSDR-Sensor обладает превосходной способностью количественного определения кокаина в линейном диапазоне от 10 нМ до 100 мкМ. Уравнение линейной регрессии получается как y = -9,9692 x + 51,0845 с коэффициентом корреляции 0.9879. LOD рассчитывается равным 1,17 нМ на основе правила 3 ​​ σ / крутизны ( N = 3), где σ — стандартное отклонение холостых образцов. Эти результаты ясно демонстрируют, что датчик CSDR на основе пленки гидрогеля ДНК в капиллярной трубке может обеспечить количественное обнаружение невооруженным глазом с превосходной точностью.

Рис. 5

Производительность CSDR-сенсора для обнаружения кокаина. a Изображения, показывающие продвижение раствора образца для обнаружения кокаина в разное время. b Зависящее от времени продвижение раствора пробы с различными концентрациями кокаина. c Временные результаты для обнаружения различных концентраций кокаина. Каждая точка данных представляет собой среднее значение трех повторов ( N = 3), а полосы ошибок указывают стандартные отклонения

Оценка селективности и практичности

Потенциальные ложноположительные сигналы повлияют на практические характеристики датчика, что следует исключить. Бензоилэкгонин (BE) и метиловый эфир экгонина (EME) являются наиболее распространенными молекулами, мешающими обнаружению кокаина.Чтобы проверить эффективность устройства в сложных условиях защиты от помех, с помощью наших CSDR-датчиков были протестированы два образца раствора (содержащие 1 мМ BE и 1 мМ EME) и холостой образец с помощью наших CSDR-датчиков. Полученные результаты сравнивали с результатами для образцов, содержащих 100 мкМ кокаина. Как показано на рис. 6а, аналитические результаты раствора, содержащего БЭ и ЭМЕ, в основном согласуются с результатами холостых проб. Адаптерные молекулы ДНК в гидрогелях могут только специфически распознавать кокаин, но не могут распознавать BE и EME даже при высоких концентрациях BE и EME.Следовательно, сенсор на основе ДНК-гидрогелевой мембраны обладает хорошей способностью распознавать целевую молекулу кокаина в реальных сценариях обнаружения, а мешающие молекулы не могут вызывать изменения проницаемости гидрогелей.

Рис. 6

Избирательность и практичность CSDR-датчика. a Селективность системы CSDR с кокаином, бензоилэкгонином (BE) и метиловым эфиром экгонина (EME). b Линейные стандартные кривые обнаружения кокаина в моче получают от 10 нМ до 100 мкМ на расстоянии 8 см в капиллярной трубке.Каждая точка данных представляет собой среднее значение трех повторов ( N = 3), а полосы ошибок указывают стандартные отклонения

Для дальнейшей оценки применимости и надежности предлагаемого метода в данном документе мы используем датчик CSDR для обнаружения. кокаина в моче. Десять образцов разбавленной мочи анализируются в соответствии с общими процедурами, и определенные концентрации оцениваются по соответствующим сигналам времени прохождения и уравнениям регрессии. Как показано на рис.6b, время прохождения линейно коррелирует с концентрацией кокаина в моче. Кроме того, получено скорректированное значение квадрата R 0,9829 и наклон 0,9775. Результаты доказывают, что CSDR-Sensor обладает высокой чувствительностью для обнаружения кокаина в реальных образцах и хорошо подходит для высокочувствительного обнаружения в клинических условиях и в условиях POCT. С другой стороны, ДНК-гидрогель можно легко хранить, что закладывает основу применимости датчика для анализов POCT.Как показано на дополнительном рисунке 3, после хранения сенсоров в течение некоторого времени (2 недели) при определенной температуре (4 ° C) в замкнутом пространстве с атмосферой 2 мл буфера (77 мМ NaHPO ₄ , 23 мМ NaH ₂ PO ₄ , 50 мМ NaCl, 5 мМ MgCl ₂ ), датчики должны продолжать работать. При такой же концентрации раствора кокаина (1 мкМ) были получены аналогичные результаты с RSD менее 3,4%, что свидетельствует о воспроизводимости изготовления и стабильности работы CSDR-сенсора.

Контроль фронта жидкости с использованием геометрии

Abstract

Мы предлагаем экспериментальную и теоретическую основу для исследования капиллярного заполнения на микромасштабе. Наша методология позволяет нам контролировать режим потока жидкости, чтобы мы могли охарактеризовать свойства ньютоновских жидкостей, такие как их вязкость. В частности, мы изучаем вязкий, неинерционный, не вашбернский режим, в котором положение фронта жидкости линейно увеличивается со временем на протяжении всего эксперимента.Диапазон рабочих скоростей сдвига нашего аппарата составляет почти два порядка. Далее мы анализируем продвижение жидкого фронта внутри микрокапилляра в системе двух несмешивающихся ньютоновских жидкостей. Мы наблюдаем режим без Уошберна, в котором фронт может ускоряться или замедляться в зависимости от контраста вязкости между двумя жидкостями. Затем мы предлагаем теоретическую модель, которая позволяет нам изучать и объяснять оба режима, не относящиеся к Вашберну. Кроме того, наша теоретическая модель позволяет нам предлагать способы управления возникновением этих режимов с помощью геометрических параметров экспериментальной установки.Наша методология позволяет нам разработать и откалибровать микровискозиметр, который работает при постоянном давлении.

Образец цитирования: Трехо-Сото C, Costa-Miracle E, Родригес-Вильярреал I, Сид Дж., Аларкон Т., Эрнандес-Мачадо A (2016) Заполнение капилляров на микромасштабе: контроль фронта жидкости с помощью геометрии. PLoS ONE 11 (4): e0153559. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0153559

Редактор: Виктор М. Угаз, Техасский университет A&M, США

Поступила: 03.11.2015; Принята к печати: 31 марта 2016 г .; Опубликовано: 22 апреля 2016 г.

Авторские права: © 2016 Trejo-Soto et al.Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии указания автора и источника.

Доступность данных: Все соответствующие данные находятся в документе.

Финансирование: IRV и TA выражают признательность Министерству науки и инноваций Испании (MICINN) за финансирование MTM2011-29342 и Generalitat de Catalunya за финансирование в рамках гранта 2014SGR1307.AHM с благодарностью отмечает частичную финансовую поддержку со стороны MINECO для финансирования в рамках гранта FIS2013-47949-C2-1-P и DURSI для финансирования в рамках гранта 2014SGR878. CTS благодарит CONICYT, Министерство образования Чили, за финансирование стипендии PhD, Becas Chile.

Конкурирующие интересы: Авторы заявили, что никаких конкурирующих интересов не существует.

Введение

Изучение потока жидкости в микро- и наномасштабе [1, 2] стало двигателем большого количества новых технологий, таких как высокопроизводительные методы [3, 4], доставка лекарств [5 ], а также вычисления, шифрование и биологическая обработка [6].Эти технологии основаны на контроле и манипулировании такими объектами, как капли, клетки, пузырьки и т. Д. [7–10]. Благодаря потенциальному применению миниатюрных устройств в промышленных и медицинских инструментах, управление потоком жидкости через микроканалы является одной из наиболее изучаемых в настоящее время тем в микрофлюидике. Дополнительное преимущество использования микроустройств связано с более низкими затратами, связанными с небольшим количеством необходимых материалов, портативностью и быстрым сбором данных. В частности, в области микрофлюидики хорошо документировано использование устройств в качестве вискозиметров.Примеры такого вклада включают [11], где разработан микровискозиметр, в котором исследуемая жидкость течет бок о бок с эталонной жидкостью известной вязкости. Другие устройства, описанные в литературе, основаны на использовании капиллярно-управляемого движения жидкого фронта внутри микроканала для измерения вязкости жидкости [12]. Что касается других методов, основанных на отслеживании частиц (например, велосиметрия изображения микрочастиц), Degre et al. [13] обратились к изучению реологических свойств сложных жидкостей в микроканалах.

Помимо потенциальных технологических приложений, есть основные вопросы, которые еще предстоит понять, в частности, те, которые связаны с динамикой движущейся контактной линии [8, 14–17]. В этом контексте классический результат восходит к работе Вашберна, который показал, что в квазистационарном режиме среднее продвижение фронта в капиллярной микротрубке подчиняется диффузионной динамике, то есть ч ∼ t ^ν , где h — положение мениска, а показатель степени ν = 1/2 [18].

Наша цель в этой статье — предложить метод управления потоком жидкости в микроканале. Это позволяет нам анализировать режимы потока, отличные от того, что изучал Вашберн. В рамках этих режимов мы показываем, что можем характеризовать реологические свойства, например вязкость жидкости, которая особенно подходит для потенциальной автоматизации. В типичной ситуации, когда одна жидкость проталкивается через микроканал, мы показываем, что возможна установка (см. Рис. 1 и 2), где после того, как инерционный режим затухает, типичный временной масштаб в микроканалах составляет порядка 10 ^-5 с, и до квазистационарного режима Уошберна наступает переходный вязкий режим, так что ч ∼ t , т.е.е. фронт распространяется с постоянной скоростью. Мы также предлагаем метод экспериментального контроля времени перехода между нашим переходным режимом и режимом Уошберна, чтобы мы могли сделать продолжительность переходного режима продолжительностью сколь угодно долго, в частности, до тех пор, пока микроканал не будет полностью заполнен.

Рис. 2. Фотографии, показывающие реальную экспериментальную установку в нашей лаборатории.

Левая панель — общий вид. На правом фото показан более подробный вид микроканала, питаемого через впускную трубку.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0153559.g002

Тот факт, что в переходном режиме фронт движется с постоянной скоростью, позволяет упростить экспериментальное измерение вязкости. Поэтому его можно использовать для предложения микрореометра нового типа, основанного на измерении положения фронта, в отличие от методов, основанных на частицах-индикаторах, таких как измерители скорости изображения микрочастиц ( мкм, PIV).

Кроме того, мы расширяем нашу основу для анализа двухжидкостной системы, где мы идентифицируем режим течения жидкости, отличный от Уошберна, когда фронт жидкости испытывает кратковременное ускорение.Одним из преимуществ использования микро- и нанотехнологических устройств, таких как эксперименты «лаборатория на кристалле», является небольшое количество часто очень дорогих или труднодоступных веществ. Однако часто бывает, что эта ценная жидкость нужна для заполнения всего экспериментального устройства до того, как она попадет в капилляр, где и выполняется фактический анализ. Помимо затрат, необходимо учитывать и другие факторы. Например, в случае крови можно наблюдать осаждение до того, как она попадет в капилляр устройства «лаборатория на чипе», где проводятся измерения.Один из возможных способов обойти эти проблемы — использовать две несмешивающиеся жидкости в установке, показанной на рис. 1. Мы используем дешевую, полностью охарактеризованную жидкость, которая заполняет части устройства, кроме микрокапилляра, и проталкивает в капилляр жидкость, свойства которой мы хотим исследовать.

Эта ситуация оправдывает анализ динамики продвижения фронта в системе, состоящей из несмешивающегося двухжидкостного потока. Мы сосредоточимся на простейшей ситуации, в которой обе жидкости являются ньютоновскими и имеют ненулевой контраст вязкости.

Наша цель в этой статье состоит в том, чтобы представить общую структуру, которая позволит нам изучить оба режима, отличные от Уошберна, единым способом. В дальнейшем мы используем эту структуру, чтобы предложить две методологии измерения вязкости как для одножидкостной, так и для двухжидкостной систем.

Материалы и методы

Экспериментальная установка

Мы изучаем течение жидкости внутри капиллярного микроканала, используя поток, управляемый давлением. В этом методе устанавливается разность давлений и измеряется скорость границы раздела жидкость-воздух внутри микроканала.

Микросистема представляет собой прямоугольный микроканал. Рассмотрим микроканалы разной высоты: b = 300 μ м, b = 200 μ м, b = 150 μ м, а b = 50 μ м и ширина w = 1 мм и длина l _c = 4 см , отформованный из биосовместимого гидрофобного силикона, PDMS (полидиметилсилоксан), на стеклянной подложке в соответствии с методами репликации и микрофабрикции [мягкой литографии] 19, 20].Нижняя поверхность микроканала сделана из стекла, а верхняя и боковые поверхности — из ПДМС. Вход и выход представляют собой перпендикулярные отверстия, расположенные на каждом конце канала. Наблюдение за потоком внутри микроканала осуществляется с помощью инвертированного микроскопа (Optika XDS-3) с объективом 10x и высокоскоростной камерой (Photron Fastcam SA3), записывая от 1000 до 125 кадров в секунду. Это дает минимальное время между двумя смежными изображениями 0,001 с и 0,008 с в зависимости от выбранной частоты кадров.Объектив 10x позволяет нам видеть канал на расстоянии 2 мм мм. Фотографии экспериментальной установки показаны на рис. 2. Давление регулируется посредством столба жидкости внутри резервуара, установленного на высоте H в диапазоне от H = 0,420 до 0,050 м и соединенного с микропробиркой из биосовместимого материала с равномерной внутреннее круглое сечение диаметром d = 0,254 мм и длиной l _t = 0,430 м (рис.1).Обратите внимание, что зазор микроканала и диаметр микропробирки сопоставимы. Скорость жидкости получается путем отслеживания среднего положения фронта жидкости как функции времени между несколькими смежными изображениями и усреднения его значений по длине канала.

Мы изучаем поведение трех жидкостей разной вязкости и плотности: воды, этиленгликоля при двух различных объемных концентрациях и плазмы крови. Плазма была получена из образцов крови человека от двух случайно выбранных анонимных доноров.Образцы крови для наших экспериментов были доставлены из банка крови гематологического отделения клинической больницы Барселоны в пробирках по 10 или 5 мл на антикоагулянте на основе гепарина. Использование этих образцов было разрешено Комитетом по биоэтике Барселонского университета. Для сохранения состояния образцы хранятся в холодильнике при температуре 4 C . Перед любым вмешательством образец помещают под вытяжной шкаф для достижения комнатной температуры от 20 до 25 ° C.Для отделения плазмы от клеточной фракции образец крови в пробирке помещают на центрифугу и вращают в течение 5 минут при 2500 об / мин . Когда вращение закончено, клеточная фракция (эритроциты, лейкоциты и тромбоциты) удерживается внизу пробирки, а плазма — вверху. Плазма извлекается с помощью стерильной пипетки под вытяжным шкафом, чтобы избежать загрязнения образца.

Во второй серии экспериментов мы рассматриваем двухжидкостную систему, в которой мы заполняем резервуар жидкостью с известной вязкостью, η ₁ (раствор глицерина с концентрацией 19% от объема).Затем мы изучаем свойства динамики жидкостного фронта второй жидкости неизвестной вязкости, η ₂ , которая проталкивается в микроканал колонкой раствора глицерина. Мы использовали две ньютоновские жидкости для измерения их вязкости с помощью нашего микрокапиллярного устройства, а именно воду и этиленгликоль с объемной концентрацией 44%. Мы использовали глицерин при этом разбавлении, потому что его плотность ρ практически идентична этиленгликолю при объемной концентрации 44%.

Результаты

Мы изучаем поток жидкости внутри капиллярного микроканала с использованием потока, управляемого давлением, с использованием экспериментальной установки, описанной в разделе «Материалы». В этом методе устанавливается разность давлений и измеряется скорость границы раздела жидкость-воздух внутри микроканала.

Результаты экспериментов: одна жидкостная система

Наши эксперименты состоят в измерении среднего положения фронта, когда жидкость заполняет капилляр.

Скорость фронта жидкости приблизительно постоянна.

На рис. 3 показано положение фронта жидкости, h ( t ), как функция времени при высоте колонны H = 0,290 м . При таком давлении канал заполняется менее чем за 50 секунд. Мы видим, что для всех трех жидкостей среднее положение фронта ведет себя как (1) где ν ≃ 1, что соответствует постоянной скорости фронта. Обратите внимание, что это поведение отличается от предсказанного законом Вашберна. Согласно результату Вашберна, скорость фронта должна уменьшаться как t ^−1/2 .

Рис. 3. Рисунок, показывающий положение фронта как функцию времени для воды, этиленгликоля при 40% разбавлении и плазмы крови.

Значение показателя ν , как определено в уравнении (1), составляет ν = 0,98 для воды, ν = 0,98 для этиленгликоля и ν = 1,01 для плазмы крови. Опыты проводились со столбом жидкости высотой H = 0,290 м. Значение высоты капилляра составляет b = 300 мкм м.Толстые линии соответствуют экспериментальным показателям. Пунктирная линия показывает теоретические результаты для воды, пунктирная линия соответствует теоретическим результатам для плазмы крови, а пунктирная линия — этиленгликоль.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0153559.g003

Согласно уравнению (1) скорость фронта равна. Наши экспериментальные результаты показывают, что скорость фронта остается примерно постоянной. Изменение скорости во всем канале ( l _c = 4 см ) составляет 8% для воды, 11% для этиленгликоля и 13% для плазмы крови (см. Рис. 3).

В таблице 1 мы показываем скорость фронта, усредненную по длине капилляра для трех различных жидкостей, т. Е. Воды, этиленгликоля и плазмы крови, которые затем сравниваются с линейной аппроксимацией данных, показанных на рис. 3. Среднее значение скорость измеряется по данным, показанным на рис. 3 (т.е. ч ( т ) в зависимости от времени). Измеряя положение фронта, h ( t ), в разное время (т. Е. По мере того, как фронт продвигается по длине микроканала), мы можем вычислить соответствующую скорость как производную по времени от h ( т ).Средняя скорость затем получается как среднее значение всех «мгновенных» значений по длине микроканала.

Изменение скорости фронта при изменении высоты колонны.

Теперь перейдем к измерению скорости фронта жидкости при изменении высоты столба жидкости, то есть давления. Наши результаты показаны на рис. 4. Мы видим, что наши экспериментальные результаты можно подогнать с помощью линейной зависимости: (2) Теоретическая модель, которую мы представляем в разделе «Методы», позволяет связать параметры m и n с физическими свойствами жидкости и геометрическими параметрами нашей экспериментальной установки.Величина n точно соответствует капиллярному давлению, связанному с кривизной передней части. Что касается параметра м , теория, развитая в разделе «Методы», позволяет нам связать м с вязкостью жидкости. В таблице 2 показаны значения м и n , полученные в результате линейной аппроксимации данных, показанных на рис. 4.

Рис. 4. Экспериментальные данные средней скорости фронта для разной высоты столба жидкости H .

Эти экспериментальные результаты в дополнение к теоретической модели. Уравнение (10) используется для оценки вязкости каждой жидкости, указанной в таблице 3. Цветовой код: красный соответствует воде, синий — плазме крови, зеленый — этиленгликолю. Значение высоты капилляра, b , составляет b = 300 мкм м.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0153559.g004

В диапазоне давлений, в котором проводятся наши эксперименты, режим постоянной скорости сохраняется до тех пор, пока весь капилляр не будет заполнен для каждого значения H , что в среднем занимает т = 600 с .Для каждой высоты, H , мы получаем профиль скорости движущегося фронта жидкости с дисперсией, не превосходящей 1,82% для воды, 1,77% для этиленгликоля при 44% и 2,60% для плазмы крови.

Результаты экспериментов: двухжидкостная система

Наши эксперименты с двухжидкостной системой заключаются в измерении скорости продвижения фронта выталкиваемой жидкости, заполняющей капилляр, в зависимости от его положения в капилляре, h .На рис. 5 показаны экспериментальные результаты для двухжидкостной системы, состоящей из этиленгликоля на 44% и глицерина на 19%. Мы наблюдаем, что, когда фронт этиленгликоля продвигается через микроканал, толкаемый столбом жидкости фиксированной высоты, H = 200 мм, его скорость увеличивается. Напротив, если эксперимент проводится с одножидкостной системой (этиленгликоль 44%), мы не наблюдаем такого ускорения. Скорее, в соответствии с нашими результатами для наших систем с одной жидкостью, скорость его фронта остается постоянной, поскольку он заполняет капилляр.

Рис. 5. Экспериментальные результаты, показывающие увеличение средней скорости фронта, наблюдаемое в двухжидкостной системе, когда фронт продвигается через микроканал.

Мы рассматриваем двухжидкостную систему, состоящую из этиленгликоля на 44% и глицерина на 19% (пустые кружки). Мы сравниваем это поведение с одной жидкой системой, состоящей из этиленгликоля на 44%, где такого ускорения не наблюдается (закрашенные кружки). Сплошные и пунктирные линии — наши теоретические результаты, полученные с использованием уравнения (6) для двухжидкостной системы (с η ₁ < η ₂ ) и одножидкостной системы ( η ₁ = η ₂ ) соответственно.Высота столба жидкости составляет H = 200 мм, а высота капилляра составляет b = 300 мкм м.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0153559.g005

Этот результат имеет нетривиальные последствия для способа измерения вязкости жидкости, заполняющей капилляр. Разработанный метод измерения вязкости в одножидкостной системе основан на том, что продвижение фронта происходит с постоянной скоростью.Поскольку это больше не верно для двухжидкостной системы, мы должны разработать альтернативный метод.

Обсуждение

Теоретическая модель

Для объяснения экспериментальных результатов, представленных в разделе «Результаты», мы предлагаем общую математическую модель, которая учитывает возможность работы с двумя жидкостями с положительным контрастом вязкости.

Мы принимаем закон Дарси с проницаемостью микропрямоугольной ячейки, где b — высота микроканала.Запишем скорость фронта жидкости внутри микроканала как: (3) где h ( t ) — положение фронта в момент времени t и η ₂ — вязкость, которую необходимо определить. Δ P ( т ) — полное падение давления: (4) где гидростатическое давление, создаваемое столбом жидкости, составляет P _hyd = ρgH , P _cap — капиллярное давление, и, наконец, падение давления, создаваемое сопротивлением микротрубка, соединяющая контейнер для жидкости с микроканалом, Δ P _R ( t ), которая теперь зависит от времени из-за наличия второй жидкости известной вязкости, η ₁ , который постепенно заполняет микропробирку: (5) где л ₁ ( т ) и л ₂ ( т ) таковы, что л ₁ ( т ) + л ₂ 12 ( т ) = l _t за все время, где l _t — длина микропробирки, питающей капилляр (см. Рис. 1).Кроме того, r — это радиус микропробирки, а v _t — средняя скорость потока в микропробирке. И контейнер, и конец микроканала открыты и подвергаются воздействию атмосферы. Другие факторы, влияющие на падение давления, например вариациями ширины канала и поперечного сечения микротрубок можно пренебречь. Чтобы оценить Δ P _R ( t ), мы предположили, что микропробирка, соединяющая контейнер и микроканал, имеет круглое поперечное сечение и что поток внутри микропробирки подчиняется закону Пуазейля.

Учитывая, что в силу сохранения массы, мы можем записать следующее уравнение для скорости фронта внутри микроканала: (6)

Одна жидкостная система

Общее уравнение (6) можно использовать для изучения нашей единой жидкой системы, взяв η ₁ = η ₂ ≡ η . В этом случае уравнение (6) сводится к: (7)

Сравнение с результатами экспериментов: одна жидкостная система

Уравнение (7) показывает, что если наша экспериментальная установка такова, что сопротивление, связанное с потоком жидкости в микроканале, намного меньше, чем сопротивление, связанное с микротрубкой, то мы можем предположить это, что означает, что скорость фронта приблизительно постоянна: (8) Обратите внимание, что с течением времени и увеличением ч ( t ) это приближение становится менее точным, что означает, что этот линейный режим действителен либо для коротких микроканалов, либо для ранних времен.Точно так же приближение может быть неудачным для микроканалов с малой высотой зазора b . Это явление проиллюстрировано на рис. 6, где скорость фронта показана как функция положения фронта. Мы видим, что для более крупных капилляров ( b = 150 мкм м и b = 300 мкм м) скорость остается примерно постоянной по мере продвижения фронта через капилляр в соответствии с нашим приближенным уравнением (8) . Однако по мере того, как мы уменьшаем b канала, мы ожидаем, что приближение, приводящее к уравнению (8), не будет выполняться для меньших капилляров, поэтому нам нужно использовать полное выражение для уравнения (7).Это подтверждается нашими экспериментальными результатами с капилляром высотой b = 50 мкм м, где скорость фронта больше не является постоянной по мере продвижения фронта через капилляр.

Рис. 6. График, показывающий скорость фронта как функцию положения фронта для различной высоты капилляра.

Экспериментальные результаты для b = 50 μ м (красные квадраты), b = 150 μ м (зеленые точки) и b = 300 μ м (синие ромбы) сравниваются с наша теоретическая модель (6).Теоретические результаты соответствуют b = 50 μ м (красная сплошная линия), b = 150 μ м (зеленая пунктирная линия) и b = 300 μ м (синяя пунктирная линия). ).

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0153559.g006

В общем случае, когда вышеприведенное предположение не применяется, интегрирование уравнения (7) дает следующее выражение для среднего положения фронта: ч ( т ): (9) из которого в течение длительного периода времени мы восстанавливаем закон Вашберна.На рис. 7 мы наблюдаем кроссовер между обоими режимами. В начале эволюции фронта преобладает режим, в котором скорость приблизительно постоянна, тогда как в течение более длительного времени система распадается до режима Уошберна, где ч ( t ) ≈ t ^1/2 . В частности, на рис. 7 мы представляем численные результаты для перехода между режимами без Уошберна и Уошберна при изменении радиуса впускной трубы. Время перехода — это прямая мера продолжительности линейного (без Вошберна) режима.Наши результаты показывают, что длительностью линейного режима можно управлять, изменяя радиус: чем меньше радиус входной трубы, тем длиннее линейный режим.

Рис. 7. Теоретическое положение спереди h ( t ) для различных значений радиуса микропробирки r , уравнение (9), для воды.

Значение r = 127 мкм (сплошная линия) соответствует радиусу, используемому в экспериментальной установке. Жирные линии представляют t ^0.5 и т показателей роста. Геометрические параметры, использованные на графике, соответствуют экспериментальной установке. Используемое давление составляет ρgH — P _крышка = 3000 Па .

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0153559.g007

Вискозиметрия в одножидкостной системе

Из уравнения (8) можно получить следующее соотношение между гидростатическим давлением и (постоянной) скоростью фронта: (10)

Сравнивая уравнения (2) и (10), мы получаем выражение для м с точки зрения геометрических параметров нашей установки и физических свойств жидкости, в частности ее вязкости.Таким образом, используя уравнения (2) и (10), мы можем измерить вязкость жидкости: (11) где м теперь аппроксимируется из экспериментальных данных, как показано на рис. 4. Экспериментальные значения вязкости для нескольких жидкостей приведены в таблице 3.

Таблица 3. Таблица, в которой показаны наши экспериментальные измерения вязкости воды, плазмы крови и этиленгликоля.

Для сравнения мы приводим оценки вязкости этих трех жидкостей, найденные в литературе. Вязкости указаны в мПа ⋅ с .

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0153559.t003

Сравнение формул (2) и (10), n = P _cap , так что капиллярное давление, связанное с кривизну фронта также можно оценить из наших экспериментов. В случае воды наши экспериментальные результаты показывают, что капиллярное давление оценивается как P _cap = 184 Pa . Этот результат можно проверить, используя определение капиллярного давления через радиусы кривизны фронта: (12) где τ — поверхностное натяжение, а θ — угол контакта жидкости со стенкой канала.Анализируя экспериментальные изображения фронтов, мы оцениваем значение краевого угла: θ = 108 градусов. Тогда, при значениях поверхностного натяжения для воды, τ = 0,0728 Нм ⁻¹ , а значения параметров b = 300 μ м и w = 1 мм, оценим капиллярное давление для воды должно быть P _cap = 194,97 Па. Это значение возможно и совместимо с нашими экспериментальными результатами, показанными в таблице 2.

Наш метод обеспечивает эффективное описание, в котором падение давления, вызванное силой тяжести (гидростатическое давление), преобладает над всеми другими эффектами, включая капиллярные. Наши наблюдения (см. Пример, показанный на рис. 1) подтверждают предположение, что результирующий эффект является гидрофобным (т.е. без столба жидкости фронт отступает). Это предположение дополнительно подтверждается сравнением между уравнением (12) и результатами, полученными из экспериментальной подгонки, которые, как мы находим, достаточно хорошо согласуются.

Влияние высоты капилляра

b .

Уравнение (10) может быть записано в масштабной форме как: (13) Используя определение скорости сдвига, и определение измененного давления, σ _rs как: (14) Уравнение (13) можно переписать как: (15) независимо от геометрических параметров. Эта масштабная форма позволяет нам проверить, что значение вязкости в наших экспериментах для различных жидкостей не зависит от значения b . Это показано на рисунках 8 и 9, где мы проводим эксперименты с различными значениями b .Кроме того, рисунки 8 и 9 показывают, что наши экспериментальные результаты удовлетворяют закону масштабирования (13) — (15). Кроме того, Рис. 9 показывает, что нашу методологию можно надежно использовать в качестве микрореометра.

Рис. 8. Экспериментальные данные, представленные в пересчете на давление, σ _rs , как определено в уравнении (14), и скорость сдвига,.

Построение экспериментальных результатов в терминах этих переменных позволяет нам напрямую оценить вязкость жидкостей (вода (красные квадраты), плазма крови (синие треугольники) и этиленгликоль при разбавлении 44% (зеленые кружки)), как показано в уравнении (15).Мы использовали два капилляра разной высоты: b = 150 мкм м (пустой символ) и b = 300 мкм м (сплошной символ).

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0153559.g008

Рис. 9. На этом графике мы используем данные, показанные на рис. 8, для оценки вязкости жидкостей (вода (красные квадраты), плазма крови (синий треугольники) и этиленгликоль при разведении 44% (зеленые кружки)) с использованием уравнения (15).

Мы видим, что для широкого диапазона значений скорости сдвига (расширение на два порядка) вязкость постоянна, как и следовало ожидать для ньютоновской жидкости.Мы использовали два капилляра разной высоты: b = 150 мкм м (пустой символ) и b = 300 мкм м (сплошной символ).

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0153559.g009

Сравнение с результатами экспериментов: двухжидкостная система

Уравнение (6) дает качественное объяснение поведения, наблюдаемого в экспериментах, представленных на рис. 5. Если двухжидкостная система такова, что жидкость, заполняющая капилляр, более вязкая, чем та, которая проталкивает ее в микроканал (т.е.е. η ₁ < η ₂ ), то уравнение (6) для фиксированного значения H означает, что, является возрастающей функцией h (другими словами, является возрастающей функцией времени).

Присутствие двух жидкостей с разной вязкостью вводит член в уравнении (6), который пропорционален контрасту вязкости. Этот член отсутствует в одножидкостном аналоге уравнения (7). Следовательно, применение той же процедуры для оценки неизвестной вязкости жидкости 2, которую мы использовали для случая одной жидкости, вызывает сомнения, поскольку точность приближения зависит от неизвестного контраста вязкости.Поэтому мы предлагаем другой подход вместо того, чтобы следовать процедуре для одной жидкостной системы.

Вискозиметрия двухжидкостной системы

Теперь мы опишем процедуру измерения вязкости жидкости, заполняющей капилляр, на основе экспериментального определения скорости и положения ее фронта в микроканале. Начнем с определения количества, ч _r ( т ), согласно: (16) где C определяется по формуле: (17) E = 3 π ² r ⁶ /2 b ⁴ w ² и D = 2 b ³ 8 т /3 πr ⁴ .Используя определение h _r ( t ) и уравнение (6), получаем следующее соотношение: (18) где a — положительная константа. Используя факт, который принимает постоянное значение по длине капилляра, мы можем получить значение неизвестной вязкости η ₂ путем измерения скорости фронта в двух разных точках микроканала. Рассмотрим две позиции на микроканале, h ₁ и h ₂ , и соответствующие (экспериментально определенные) скорости, и.Тогда, что с помощью определения h _r (уравнение (16)), мы имеем, что: (19) Из уравнений (17) и (19) можно явно вычислить значение η ₂ : (20) Уравнение (20) дает значение неизвестной вязкости η ₂ в терминах (известной) вязкости выталкивающей жидкости, геометрических характеристик экспериментальной установки и экспериментальных измерений в двух разных положениях вдоль капиллярный.

Чтобы этот метод измерения неизвестной вязкости ньютоновской жидкости, заполняющей капилляры, был постоянным, вязкость η ₂ не должна зависеть ни от высоты столба жидкости, H , ни от высоты капилляра. , б .Чтобы убедиться, что наш метод удовлетворяет этим критериям согласованности, мы провели измерения для различных значений H и b . Чтобы продолжить, мы сначала фиксируем b и изучаем поведение η ₂ при изменении H . На рис. 10 показаны результаты для вязкости воды и этиленгликоля для различных значений H . Далее мы сравниваем вязкости, полученные из уравнения двухжидкостной модели (20) с оценкой, полученной с помощью уравнения (11) для эталонных случаев (вода и этиленгликоль).Мы видим, что, как и ожидалось, η ₂ не зависит от высоты столба жидкости, H . Мы также наблюдаем отличное согласие между оценками, полученными двумя нашими методами.

Рис. 10. Экспериментальные результаты для высоты капилляра b = 300 мкм м, показывающие, что значение вязкости согласно нашей методологии не зависит от высоты столба жидкости, H (см. Рис. 1).

Мы рассматриваем двухжидкостные системы, состоящие из воды, выталкиваемой глицерином на 30% и этиленгликоля на 40%, вытесняемой глицерином на 20%.Мы сравниваем это поведение с поведением соответствующей одножидкостной системы (вода и 40% этиленгликоля). Сплошные и пунктирные линии — наши теоретические результаты, полученные с использованием уравнения (20) для двухжидкостной системы (с η ₁ < η ₂ ) и одножидкостной системы ( η ₁ = η ₂ ) соответственно. Значения вязкости воды и этиленгликоля, измеренные с использованием различных установок (т.е. одно- и двухжидкостные), приведены в таблице 4.Сплошные символы соответствуют результатам, полученным для одной жидкостной системы. Пустые символы связаны с показателями, полученными при установке с двумя жидкостями.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0153559.g010

Чтобы убедиться, что наш метод согласован и, следовательно, дает измерения η ₂ , которые не зависят от b , мы приступим к для изучения поведения вязкости η ₂ при изменении b .Результаты показаны в таблице 4, где мы сравниваем измерения вязкости воды и этиленгликоля для двух различных значений b . Мы также сравниваем оценки, полученные с помощью нашего метода двух жидкостей, с оценками, полученными с помощью метода одной жидкости. Мы наблюдаем, что оба метода последовательно предсказывают значение вязкости, которое не зависит от b . Мы также показываем, что наши оценки вязкости воды и этиленгликоля согласуются с данными в литературе.

Таблица 4. Таблица, показывающая сравнительный анализ значений вязкости для воды и этиленгликоля, полученных двумя нашими разными методами для различных значений высоты капилляров.

Далее мы сравниваем с оценками вязкости, найденными в литературе (в скобках) [23, 24]. Незначительные различия между обоими наборами значений связаны с небольшими колебаниями температуры (от 19,3 до 22 ° C).

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0153559.t004

Мы обнаружили доказательства того, что наш метод обеспечивает более надежные измерения вязкости в более широком диапазоне скоростей сдвига, чем стандартный коммерческий реометр с конусной пластиной.Мы представляем результаты на рис. 11, на котором вязкости этиленгликоля 44%, глицерина 19% и плазмы крови измерены для различных значений скорости сдвига. Мы наблюдаем, что при малых скоростях сдвига (порядка 1 с ^-1 ) реометр конус-пластина дает ложные результаты, поскольку вязкость не является постоянной величиной, а зависит от скорости сдвига. Эти ложные эффекты отсутствуют в нашем микрофлюидном устройстве, которое дает правильный результат с постоянной вязкостью.

Рис 11.На этом графике показаны экспериментальные значения вязкости для трех ньютоновских жидкостей при низкой скорости сдвига.

Мы сравниваем результаты, полученные с помощью нашего микроустройства (сплошные символы), с результатами, полученными с использованием макроскопического коммерческого реометра с конической пластиной (ротационный реометр Malvern Kinexus, пустые символы). Мы наблюдаем, что реометр с конической пластиной дает ложные результаты при низких скоростях сдвига, которые могут быть неверно истолкованы как неньютоновское поведение. Напротив, наше устройство соответствует ньютоновскому характеру жидкостей, используемых во всем диапазоне скоростей сдвига.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0153559.g011

Выводы

Мы предложили экспериментальную и теоретическую основу для изучения капиллярного наполнения на микромасштабе. Наша методология позволяет нам управлять режимом потока жидкости таким образом, чтобы мы могли характеризовать свойства жидкости, такие как вязкость. В частности, мы смогли охарактеризовать режим течения жидкости, при котором положение фронта h ( t ) ≈ t .Этот режим представляет собой вязкий переходный режим, который в конечном итоге релаксирует к хорошо известному режиму Уошберна, где ч ( t ) ≈ t ^1/2 . Обратите внимание, что этот переходный режим отличается от инерционного режима, который характеризуется гораздо более короткими временными масштабами порядка 10 ⁻⁵ секунд, тогда как наш линейный режим распространяется на времена порядка минут. Фактически, с экспериментальной точки зрения, легко контролировать продолжительность линейного режима, например, изменяя геометрические параметры устройства.Кроме того, помимо того, что значение показателя ν отличается от значения, предписанного законом Вашберна, значения скорости могут сильно отличаться от ожидаемых из предсказания Вашберна, поскольку они зависят от геометрических параметров экспериментальной установки. Кроме того, тот факт, что скорость продвижения фронта постоянна, позволяет значительно упростить метод измерения вязкости и, как следствие, конструкцию вискозиметра.

Также стоит упомянуть, что наш линейный режим возникает при постоянном давлении на входе из-за геометрии экспериментальной установки, а не за счет управления расходом и адаптации давления.Мы показали, что возможный способ контролировать, находимся ли мы в линейном режиме, — это изменить высоту микроканала, b , хотя возможны и другие способы, такие как изменение диаметра биосовместимой микропробирки, соединяющей резервуар с микроканалом.

Мы также представили экспериментальную и теоретическую методологию, которая позволяет нам определять вязкость жидкости в системе двух несмешивающихся жидкостей, анализируя распространение фронта внутри микрокапилляра.Преимущество этой методики состоит в том, что она позволяет использовать очень маленькие образцы потенциально дорогих или редких жидкостей, поскольку нам не нужно заполнять устройство такой жидкостью. Используя такое устройство и связанную с ним теоретическую модель, мы смогли изучить режим без Уошберна, в котором фронт жидкости внутри капилляра ускоряется или замедляется в зависимости от контраста вязкости между обеими жидкостями: если жидкость, заполняющая капилляр, более вязкая, чем жидкость, которая толкает его в капилляр, тогда фронт ускоряется, и наоборот.

В этих условиях мы не можем использовать методологию, предложенную в одножидкостных системах для измерения вязкости ньютоновских жидкостей, поэтому мы разработали новый метод. Этот новый метод основан на измерении скорости фронта в двух разных положениях внутри микрокапилляра при фиксированной высоте столба жидкости. Мы проверили, что полученная таким образом вязкость не имеет ложной зависимости от экспериментальных факторов, таких как высота столба жидкости, H , или величина капиллярного зазора, b .Используя этот метод, мы получаем результаты, согласующиеся с опубликованными в литературе.

Режим течения, изучаемый в этой статье, в котором мы можем наблюдать как ускорение, так и замедление фронта жидкости, может привести к неверной интерпретации данных, касающихся свойств наблюдаемого режима течения жидкости. Теоретический подход, который мы разработали в этой статье, позволяет нам надежно измерять вязкость ньютоновских жидкостей независимо от режима жидкости, вводимого нашей экспериментальной установкой.Эта теоретическая основа является ступенькой к изучению более сложных жидкостей, таких как цельная кровь и другие неньютоновские жидкости, поскольку она позволяет отделить ложные зависимости, вызванные экспериментальными артефактами, от подлинных неньютоновских эффектов.

Эта методология позволила нам разработать и откалибровать микровискозиметр для определения вязкости с помощью измерений в широком диапазоне скорости сдвига, составляющем примерно два порядка величины. Наше устройство способно получить правильное значение вязкости ньютоновских жидкостей для низких значений скорости сдвига без необходимости корректировки ad hoc , которые необходимы при использовании других типов вискозиметров.

Наконец, мы продемонстрировали доказательства того, что наш метод более надежен, чем стандартный коммерческий реометр с конической пластиной для малых скоростей сдвига, как показано на рис. 11. В то время как реометр конус-пластина дает ложные эффекты при низких скоростях сдвига (в данном случае , предсказывая, что вязкость ньютоновской жидкости зависит от скорости сдвига), наше микрожидкостное устройство позволяет избежать этих эффектов брызг и дает правильный результат с постоянной вязкостью. Этот эффект типичен и присутствует в нескольких реометрах для жидкостей с низкой вязкостью, измеренных при низких скоростях сдвига.

Благодарности

AHM благодарит Родриго Ледесма-Агилар за полезные обсуждения. IRV и TA выражают признательность Министерству науки и инноваций Испании (MICINN) за финансирование MTM2011-29342 и Generalitat de Catalunya за финансирование в рамках гранта 2014SGR1307. AHM с благодарностью отмечает частичную финансовую поддержку со стороны MINECO для финансирования в рамках гранта FIS2013-47949-C2-1-P и DURSI для финансирования в рамках гранта 2014SGR878. CTS благодарит CONICYT, Министерство образования Чили, за финансирование стипендии PhD, Becas Chile.

Вклад авторов

Задумал и спроектировал эксперименты: CTS ECM IRV. Проведены эксперименты: CTS ECM IRV. Проанализированы данные: ECM TA AHM. Предоставленные реагенты / материалы / инструменты анализа: JC TA AHM. Написал статью: ТА АХМ.

Ссылки

1. 1. Табелинг П. Введение в микрофлюидику. Издательство Оксфордского университета; 2005.
2. 2. Боке Л., Табелинг П. Физические и технологические аспекты наножидкости. Лаборатория на чипе.2014; 14: 3143. pmid: 25046581
3. 3. Agresti JJ, Antipovc E, Abatea AR, Ahna K, Rowata AC, Barete JC и др. Сверхвысокопроизводительный скрининг в капельной микрофлюидике для направленной эволюции. Proc Natl Acad Sci. 2010; 107: 4004. pmid: 20142500
4. 4. Абатеа А.Р., Хунг Т., Мария П., Агрести Дж.Дж., Вайц Д.А. Высокопроизводительный впрыск с помощью микрофлюидики с использованием пикоинжекторов. Proc Natl Acad Sci. 2010; 107: 19163.
5. 5. Безагу М., Эррико С., Шауло-Тальмон В., Монти Ф., Тантер М., Табелинг П. и др.Высокий пространственно-временной контроль спонтанных реакций с помощью запускаемых ультразвуком композитных капель. J Am Chem Soc. 2014; 136: 7205–7208. pmid: 24785681
6. 6. Ли В, Аминия Х, Стоун Х.А., Карло Д.Д. Динамическая самосборка и контроль кристаллов микрожидкостных частиц. Proc Natl Acad Sci. 2010; 107: 22413. pmid: 21149674
7. 7. Atencia J, Beebe DJ. Управляемые микрофлюидные интерфейсы. Природа. 2005; 437: 648. pmid: 16193039
8. 8. Ледесма-Агилар Р., Нисталь Р., Эрнандес-Мачадо А., Пагонабаррага И.Контролируемый выброс капель за счет смачивающих свойств в ведомых жидких волокнах. Нат материалы. 2011; 10: 367. pmid: 21478882
9. 9. Аль-Хуссейни Т.Т., Цай ПА, Стоун Х.А. Контроль межфазной нестабильности с использованием геометрии потока. Nat Physics. 2012; 8: 747–750.
10. 10. Ю. Ф., Горовиц М. А., Quake SR. Микрожидкостной последовательный цифро-аналоговый преобразователь давления для произвольного создания давления и управления потоком без загрязнения. Лаборатория на чипе. 2013; 13: 1911. pmid: 23529280
11. 11.Guillot P, Panizza P, Salmon JB, Joanicot M, Colin A, Bruneau CH, et al. Вискозиметр в микрофлюидном чипе. Ленгмюра. 2006; 22: 6438. pmid: 16800711
12. 12. Шривастава Н, Давенпорт Р.Д., Бернс Массачусетс. Нанолитровый вискозиметр для анализа плазмы крови и других жидких образцов. Anal Chem. 2005; 77: 383. pmid: 15649032
13. 13. Дегре Г., Джозеф П., Табелинг П., Леруж С., Клойтр М., Аждари А. Реология сложных жидкостей с помощью велосиметрии изображения частиц в микроканалах.Appl Phys Lett. 2006; 89: 024104.
14. 14. Кере Д. Инерционная капиллярность. Europhys Lett. 1997. 39: 533–538.
15. 15. Тас Н.Р., Ханевельд Дж., Янсен Х.В., Элвенспук М., Ван ден Берг А. Контроль межфазной нестабильности с использованием геометрии потока. Appl Phys Lett. 2004; 85: 3274.
16. 16. Reyssat M, Courbin L, Reayssat E, Stone HA. Набухание в геометриях с осевыми отклонениями. J Fluid Mech. 2008; 615: 365.
17. 17. Queralt-Martin M, Pradas M, Rodriguez-Trujillo R, Arundell M, CorveraPoire E, Hernandez-Machado A.Пиннинг и лавины в гидрофобных микроканалах. Phys Rev Lett. 2011; 106: 194501. pmid: 21668164
18. 18. Wahsburn EW. Динамика капиллярного потока. Phys Rev.1921; 17: 273.
19. 19. Макдональд Дж. К., Даффи, округ Колумбия, Андерсон Дж. Р., Чиу Д. Т., Ву Х, Шуэллер О. Дж. А. и др. Изготовление микрофлюидных систем в поли (диметилсилоксане). Электрофорез. 2000; 21: 27. pmid: 10634468
20. 20. Родригес-Вильярреал I. Микрожидкостное устройство для разделения плазмы крови и магнитных манипуляций с клетками.Кандидатская диссертация. Университет Барселоны; 2011.
21. 21. Глобальный справочник по продукту M. Этиленгликоль. ME Global; 2008.
22. 22. Баскурт OK, Hardemanand MR, Rampling MW, Meiselman HJ. Справочник по гемореологии и гемодинамике. IOS Press; 2007.
23. 23. Ченг Н.С. Формула вязкости смеси глицерин-вода. Ind Eng Chem Res. 2008. 47: 3285–3288.
24. 24. Инженерный инструментарий ;. Доступно по адресу: http: //www.engineeringtoolbox.ru / этиленгликоль-d_146.html.

Контроль потока в микрожидкостном устройстве с капиллярным управлением из ламината

Препринт

, представленный 25.08.2020, 15:16 и опубликованный 27.08.2020, 07:32 Ильхун Джанг, Дэвид С. Денди, Брайан Дж. Гейсс, Чарльз Генри , Hyunwoong Kang, Simon Song

Микрожидкостные устройства с капиллярным приводом представляют значительный интерес для анализа на месте, поскольку они не требуют внешних насосов и могут изготавливаться из недорогих материалов.Среди устройств с капиллярным приводом, те, которые сделаны из бумаги и полиэфирной пленки, являются одними из самых распространенных и широко используются приложений. Однако, поскольку капиллярные силы являются единственной движущей силой, поток трудно контролировать, и методы пассивного управления потоком, такие как изменение геометрии, должны использоваться для выполнения различных аналитических Приложения. В этом исследовании представлены несколько новых методов контроля потока, которые можно использовать в ламинате. капиллярно-управляемое микрофлюидное устройство для увеличения доступной функциональности.Сначала мы вводим толчок и взрыв системы клапанов, которые могут останавливать и запускать поток. Эти клапаны можно открыть, нажав на канал или приток других жидкостей в область клапана. Далее мы предлагаем методы управления потоком для Y-образных каналов. которые позволяют использовать больше функций. В одном примере мы демонстрируем способность точно контролировать концентрацию, а во втором примере скорость потока в основном канале регулируется путем регулировки геометрии впускного отверстия. канал. Наконец, скорость потока в Y-образном устройстве в зависимости от высоты канала и свойств жидкости. такие как вязкость и поверхностное натяжение.Как и в предыдущих исследованиях капиллярно-управляемых каналов, на скорость потока влиял каждый параметр. Представленные здесь инструменты управления текучей средой позволят новым конструкции и функции для недорогих анализов в самых разных областях.

Прочтите опубликованную статью

в The Analyst

История

Учреждение

Университет штата Колорадо

Страна

США

ORCID Для автора

0000-000282-8671-771-77000 о конфликте интересов Нет конфликта интересов.

Экспорт

Выберите вариант

RefWorksBibTeXRef. managerEndnoteDataCiteNLMDC

Произошла ошибка при настройке вашего пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

---

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie.Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, используйте кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
• Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie.Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

---

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

---

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файлах cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Контроль потока в микрожидкостном устройстве с капиллярным управлением из ламината

Микрожидкостные устройства с капиллярным приводом представляют значительный интерес для анализа на месте, поскольку они не требуют внешних насосов и могут быть изготовлены из недорогих материалов. Среди устройств с капиллярным приводом устройства из бумаги и полиэфирной пленки являются одними из самых распространенных и используются в широком спектре приложений. Однако, поскольку капиллярные силы являются единственной движущей силой, поток трудно контролировать, и методы пассивного управления потоком, такие как изменение геометрии, должны использоваться для выполнения различных аналитических задач.В этом исследовании представлены несколько новых методов управления потоком, которые можно использовать в микрожидкостном устройстве с капиллярным ламинатом для увеличения доступной функциональности. Во-первых, мы представляем системы с толкающими и разрывными клапанами, которые могут останавливать и запускать поток. Эти клапаны могут останавливать поток более чем на 30 мин и открываться либо путем нажатия на канал, либо путем втекания других жидкостей в область клапана. Затем мы предлагаем методы управления потоком для Y-образных каналов, которые позволяют использовать больше функций. В одном примере мы демонстрируем способность точно контролировать концентрацию для создания ламинарных, градиентных и полностью смешанных потоков.Во втором примере скорость потока в основном канале регулируется путем регулировки длины входного канала. Кроме того, скорость потока остается постоянной по мере увеличения длины входа. Наконец, была исследована скорость потока в Y-образном устройстве как функция высоты канала и свойств жидкости, таких как вязкость и поверхностное натяжение. Как и в предыдущих исследованиях капиллярных каналов, на скорость потока влиял каждый параметр. Представленные здесь инструменты контроля жидкости позволят использовать новые конструкции и функции для недорогих анализов в самых разных областях.

У вас есть доступ к этой статье

Подождите, пока мы загрузим ваш контент… Что-то пошло не так. Попробуй еще раз?

Крупномасштабное усреднение дренажа при локальном капиллярном контроле | Ежегодная техническая конференция и выставка SPE

Существующие континуальные модели для крупномасштабного усреднения основаны на методах усреднения объема и гомогенизации, как правило, при условии капиллярного контроля.Однако такие методы по своей сути не могут обеспечить распределение локального насыщения, которое необходимо для вычисления эффективных свойств потока. В этой статье, параллельно подходам на уровне пор, предлагается метод перколяции для получения крупномасштабных свойств в процессе дренажа при низких расходах. Перколяция применяется к макроскопически неоднородной области со случайным, некоррелированным распределением проницаемости. Мы показываем, что в условиях локального капиллярного контроля, когда возможно локальное описание, крупномасштабная кривая капиллярного давления представляет собой нетривиальное среднее значение отдельных кривых.Предсказывается крупномасштабный капиллярный захват и рассчитывается соответствующее крупномасштабное захваченное насыщение. Также получены крупномасштабные фазовые проницаемости. Обнаружено, что капиллярная неоднородность делает систему более влажной в макроскопическом смысле.

ВВЕДЕНИЕ

Успех эффективных континуумов для переноса в макроскопически однородных средах основан на условии, что масштабы на микроуровне и уровне континуума разделимы. Это условие легко обнаруживается в предыдущих схемах усреднения, независимо от того, основано ли оно на постулатах закрытия (Bear et al., 1987, Whitaker, 1986) или асимптотических разложений (Auriault et al. ., 1989). Для практической реализации также требуется, чтобы коэффициенты, такие как капиллярное давление и относительная проницаемость при несмешивающемся вытеснении, могли быть определены и вычислены. К сожалению, одновременное выполнение этих условий невозможно в современных моделях континуума.

Для разделения масштабов требуется, чтобы корреляционная длина микромасштабных неоднородностей,, », была значительно меньше, чем масштаб усреднения (»).Отношение Î »/ может быть признано малым параметром в разложении возмущений (Бенсуссан, и др., , 1978). Однако этого недостаточно. Корреляции на большие расстояния также устанавливаются самим процессом, даже в среде с некоррелированной структурой (например, для достаточно больших капиллярных чисел или чисел Бонда, N _ca или N _B ). Тогда проблема не поддается усреднению (Auriault et al ., 1989). Чтобы обойти эту трудность, современные модели континуума полагаются на предпосылку местного капиллярного контроля.Требование может быть сформулировано следующим образом: Î » _c /1, где» _c — масштаб длины, в которой капиллярность и вязкие силы сопоставимы.

No related posts.