CN101142472B - 测量液体表面张力的方法和装置 - Google Patents

Abstract

按照气泡压力原理测量液体表面张力的方法和装置，其中在确定的气体质量流量或气体容积流量下测量浸入液体的毛细管尖端上的气泡参数，并由此算出表面张力，在确定的气体质量流量或气体容积流量下，测量最小压力(p_min)和最大压力(P_max)之间的时间(t_life)和由此产生的气泡(2)的确定的压力上升率(dp/dt)，其中由此算出表面张力(σ＝K·t_life)。

Description

测量液体表面张力的方法和装置

技术领域

本发明涉及按照气泡压力原理测量液体表面张力的方法和装置，其中在确定的气体质量流量或容积流量下测量浸入液体的毛细管尖端上的气泡参数并由此算出表面张力。

背景技术

表面张力σ给出为了在液体-气体界面上使表面增大一定的量必须做多少功。因而，例如，它给出液体中表面活性剂的浓度和有效性，例如用于洗涤过程和清洗过程中的墨水或者浸泡剂的质量控制。

采用气泡压力原理时，通过一个与气动系统连接的毛细管把气体或者气体混合物，通常为空气，压入待分析的液体中，并测量在该毛细管上形成的气泡的内部压力p。

采用最大气泡压力的方法时，测量最大气泡压力p_max。从测量或调节费用高昂的该毛细管的浸入深度h_E和液体密度算出作用在气泡上的流体静压p_h。然后按下式用毛细管半径r_Kap第一近似地计算表面张力σ：

σ＝r_Kap/2(p_max-p_h)              (1)

采用由此推导出来的毛细管压力差方法(DE 197 55 291 C1，DE 20318 463 U1)，利用表面张力σ和气泡的最大内部压力p_max和最小内部压力p_min之间的压力差Δp之间的相关关系K算出动态表面张力σ：

σ＝K·Δp mitΔp＝p_max-p_min     (2)

与最大气泡压力的方法相反，鉴于流体静压对p_min和p_max的作用相同，该测量与毛细管浸入深度无关。

在含表面活性剂的液体中，表面张力σ的测量值与膨胀表面的寿命有关，因为随着气泡寿命的延长可能有越多的表面活性剂沉淀在新形成的气泡表面上。据此气泡压力原理测量动态表面张力，因此测量值总是必须和与此有关的气泡形成时间或气泡寿命t_life一起给出，其此外应该理解为气泡的最小压力和最大压力之间的时间。

已知的气泡压力方法在一个确定的气泡频率或者出现的气泡的气泡寿命下，测量最大气泡压力或者毛细管上的压力差，而气泡寿命必须随着动态改变的表面张力不断地重新调整(DE 197 55 291 C1)。为此需要一个可控的空气泵或一个控制气流的阀门。

为了能够足够准确地测量表面张力，与其他应用相比，所使用的压力传感器必须具有高的测量精度。

满足这个要求的压力传感器，例如，必须进行温度补偿和标定，因而是测量系统成本最高的元件。

作为气泡压力转换变为电信号的替代物，有声压转换器，诸如电容式、动圈式、晶体式和碳式微音器以及压电片(EP 0 760 472 B1，DE 19636 644 C1)。这样，按照EP 0 760 472 B1采用成本低廉声压转换器，测量压力信号对时间的一阶导数，并通过随后对气泡压力积分，并由此求出表面张力。受环境温度、空气湿度、微音器传输特性中的频率关系以及测量时出现的漂移影响造成的测量偏差是不可避免的。不采取附加措施，声压转换器无法满足压力测量的精度要求。

从DE 43 03 133 A1已知，在气流量足够恒定时，在毛细管上形成的气泡的实测气泡频率与表面张力有关。随着表面张力下降，气泡频率上升。气泡频率的倒数，气泡周期时间由气泡寿命和所谓气泡死时间组成(DE 203 18 463 U1)。经过最大压力之后气泡绽开和鼓起，气泡死时间表示最大压力和气泡扯开之间的时间。在液体中很小的流动或者机械振动就已经随即地影响气泡扯开并以此在通过气泡频率测量表面张力时产生大的测量偏差。所得到的测量精度，例如对于在纺织洗涤的范围内洗涤剂浓度的测量是不足够的。

直至目前为止在纺织和餐具清洗的范围内，特别是在家务范围内，尚没有经济的和有市场竞争力的解决方案，其能够足够准确地测量洗涤剂或漂洗剂浓度测量的表面张力和以此为依据的对其进行自动计量。

发明内容

本发明的任务在于，给出一种从气泡寿命和表面张力的关系出发，在一个确定的气体质量流量或气体容积流量下，动态测量液体表面张力用的方法和装置，以比较地小的传感器费用提供对大多数应用足够准确的测量结果。

上述任务由一种按照本发明的方法和装置解决。

按照气泡压力原理测量液体表面张力的方法，其中在确定的气体质量流量或气体容积流量下测量浸入液体的毛细管尖端上的气泡参数，并由此算出表面张力σ，在确定的气体质量流量或气体容积流量m₁下，测量最小压力p_min和最大压力p_max之间的时间或气泡寿命t_life和由此产生的气泡的确定的压力上升率dp/dt，其中由此算出表面张力σ＝K·t_life。

测量液体表面张力的装置，它具有本体的紧凑结构，其上形成毛细管的接头以及系统容量空间、节流阀、缓冲容积用的空间、泵空间和带有用于阀帽的部件的泵阀门；还具有毛细管本身、将系统容量封闭的压电转换器、阀帽、用于封闭缓冲容积的盖板和另一个用作空气泵的驱动装置的压电转换器。

按照本发明的方法基于在系统容积中引入的确定的气体质量流量或气体容积流量下气泡寿命t_life与表面张力σ的关系。

气泡在毛细管端部形成时，在气泡的最小压力和最大压力之间的压力差与表面张力σ相关。若把一个确定的气体质量流量或气体容积流量，通常为空气质量流量或空气容积流量引入该气动系统的系统容积，则与该表面张力σ无关，在相同的时间内总是有相同的气体质量或容积流入其中。因而气泡寿命同样取决于表面张力σ，因为在较小的表面张力σ下在该气泡建立较小的压力，因而直至达到最大压力必须把较小的气体压缩进系统容积。因而在较小的表面张力下与高的表面张力相比，较快达到最大压力的时刻。这个新方法，称作气泡寿命法，在一个确定的气体质量流量或气体容积流量下测量压入液体中的气泡的气泡寿命并由此算出该液体的表面张力。

与已知的压力差测量方法相比，对于把压力信号转换为电压信号的转换器，精度要求较低，因为它只要从该压力信号足够准确地测量气泡最小压力时刻以及随后的最大压力时刻就行。把压力信号转换为电压信号的转换器在信号振幅和偏移上，既无须温度补偿，又无须标定。

简单和成本低的声压转换器，例如压电片有利地适用于代替压力传感器。在直接压电效应下，例如压力变化引起的机械变形会造成晶体原子彼此电荷重心的偏移。在结晶中出现电偏振P并可测量出向外的表面电荷。因为在压电晶体的机械负载量和表面电荷的数量之间出现比例关系，毫无问题，允许作为电信号检测出最小压力时刻和最大压力时刻。针对压电蜂鸣器相反的用途，简单的压电声转换器被大量制造而且异常价廉物美。

现将根据实施例对本发明作较详细的说明。

附图说明

图1表示气泡形成以及按照气泡压力法的气泡内部压力的变化过程；

图2是阐明本发明物理原理用的气动系统；

图3是在恒定的空气质量流量下不同的表面张力的气泡压力信号；

图4是不同的液体的测量结果；

图5示意地表示压电声压转换器；

图6是洗衣机中表面张力测量用的功能结构；而

图7是通过按照本发明的方法工作的紧凑的表面张力传感器的示意剖面图。

具体实施方式

正如图1示意地表示的，采用气泡压力法测量表面张力时，通过毛细管1把空气或者另一种适当的气体或者气体混合物压入待分析的液体中。在图5作较详细说明的压力-张力转换器测量在毛细管1尖端上形成的气泡2的内部压力p。正如从图1a清楚地看出的，新的气泡2具有大的半径r_B＞＞r_Kap而且连接毛细管1的在图2作较详细说明的气动系统处于最小压力p_min下。通过补充流入的空气，气泡2中的压力p上升。气泡2在毛细管1上向外成拱形，气泡的半径r_B缩小。当气泡2达到其最小半径，近似地等于毛细管的半径r_B＝r_Kap，内部压力上升至最大压力p_max(图1b)。从气泡2开始形成直至达到最大压力p_max的时间给出气泡的表面寿命或气泡寿命t_life。超过最大压力p_max之后，气泡2鼓起，r_B＞r_Kap，而且气泡2内部的压力p通过体积膨胀迅速地降低(图1c)。此后气流缓慢地进一步鼓入气泡2，直至它向上逸出，从毛细管1扯开。从最大压力p_max直至气泡2扯开的时间间隔表示为死时间t_tot。接着，通过形成下一个气泡重复该过程。每个时间单位形成的气泡2数用气泡频率f_B表示。

当一个确定的气体质量流量或气体容积流量引入气动系统的系统容积时，与气泡死时间t_tot相比，气泡寿命t_life随着表面张力σ下降而较急剧缩短。气泡寿命比起气泡死时间可以更好地分辨表面张力变化。即使待测的液体中的小的流动以及机械振动就会随机地影响气泡的扯开，从而影响气泡死时间和因此还影响气泡频率。很清楚，气泡频率不适用于表面张力测量。

按照已公开的发明，测量气泡的纯气泡寿命t_life，确切地说采用一种允许用成本极其低廉的传感器达到足够准确的结果的方法。

现参照附图2和3阐述本方法的基本特点。首先，图2示意地表示气泡压力法用的气动系统，带有系统容积V_S，其中包括毛细管1的容积，带有气泡压力p、气泡容积V_B和空气质量流量

。对于以下计算，假定恒定的空气质量流量

和恒定的空气温度T₁以及空气是理想气体，并假定最小压力p_min等于流体静压力P_h。

气动系统分析的出发点是理想气体的热力学状态方程：

pV＝mR_GT.                               (3)

恒定的空气质量流量

流入该系统容积3。在时间t_life该压力从p_h上升至p_max＝f(σ)。总容积V_G从V_S增大到V_S+V_B。

在时间t_life流入的空气质量按下式算出：

$\mathrm{\Δm}=\stackrel{\·}{m}\·t_{\mathrm{life}}.---\left(4\right)$

从以下观察出发，计算最大气泡压力的时刻用的方程式(3)按以下方法描述：

(Δp+p_h)(V_s+ΔV)＝(m₀+Δm)R_LuftT_Luft    (5)

$(p_{\max }-p_h+p_h)(V_S+V_B)=(m_0+\stackrel{\·}{m}\·t_{\mathrm{life}})R_{\mathrm{Luft}}{T}_{\mathrm{Luft}}.---\left(6\right)$

用方程式(3)算出m₀

$m_0=\frac{p_h\·V_S}{R_{\mathrm{Luft}}\·T_{\mathrm{Luft}}}.---\left(7\right)$

把(7)代入方程式(6)得出：

$p_{\max }(V_S+V_B)=(\frac{p_h\·V_S}{R_{\mathrm{Luft}}\·T_{\mathrm{Luft}}}+\stackrel{\·}{m}\·t_{\mathrm{life}})R_{\mathrm{Luft}}{T}_{\mathrm{Luft}}.---\left(8\right)$

t_life移位后得出：

$t_{\mathrm{life}}=\frac{p_{\max }(V_S+V_B)-p_h\·V_S}{\stackrel{\·}{m}\·R_{\mathrm{Luft}}{T}_{\mathrm{Luft}}}.---\left(9\right)$

用流体静压力：

p_h＝ρ_w·g·h_g+p₀    (10)

和最大压力与表面张力的关系(第一近似)：

$p_{\max }=\frac{2\mathrm{\σ}}{r_{\mathrm{Kap}}}+p_h---\left(11\right)$

以及在最大气泡压力下的气泡容积：

$V_B=\frac{2}{3}\mathrm{\π}\·r_{\mathrm{Kap}}^3---\left(12\right)$

代入方程式(9)得出：

$t_{\mathrm{life}}=\frac{(\frac{2\mathrm{\σ}}{r_{\mathrm{Kap}}}+{\mathrm{\ρ}}_{w}g{h}_B+p_0)(V_S+\frac{2}{3}\mathrm{\π}\·r_{\mathrm{Kap}}^3)-({\mathrm{\ρ}}_{w}g{h}_B+p_0)\·V_S}{\stackrel{\·}{m}\·R_{\mathrm{Luft}}\·T_{\mathrm{Luft}}}.---\left(13\right)$

整理方程式(13)后得：

$t_{\mathrm{life}}=\frac{\frac{2\mathrm{\σ}}{r_{\mathrm{Kap}}}(V_S+\frac{2}{3}\mathrm{\π}\·r_{\mathrm{Kap}}^3)+({\mathrm{\ρ}}_{w}g{h}_B+p_0)\·\frac{2}{3}\mathrm{\π}\·r_{\mathrm{Kap}}^3}{\stackrel{\·}{m}\·R_{\mathrm{Luft}}\·T_{\mathrm{Luft}}}.---\left(14\right)$

根据最后列出的方程式(14)可知，在空气质量流量恒定时，气泡寿命t_life与液体表面张力σ呈线型关系：

$t_{\mathrm{life}}=f\left(\mathrm{\σ}\right),{\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{Luft}}=\mathrm{const}.---\left(15\right)$

图3中画出不同的表面张力下记录气泡的压力变化过程，其中和一般一样，气泡寿命t_life不是保持恒定的，而是通过恒定引入空气质量流量

气泡内压力从最小压力p_min上升直至最大压力p_max1或p_max2；dp/dt＝const(常数)。按照本发明不是测量气泡内的压力差p_max-p_max，而是测量气泡的气泡寿命l_tife。如图3所示，表面张力σ₂较小的液体中气泡的内部压力5b，在较短的气泡寿命t_life2下达到最大压力p_max2，相比之下，表面张力σ₁较高的液体中气泡内部压力5a，只有在较长的气泡寿命t_life1才达到最大压力p_max1。

图4表示在恒定的空气质量流量下不同表面张力的液体的气泡压力信号的实测曲线图。气泡压力信号全都具有相同的上升率，直至与表面张力相关的最大气泡压力为止。在表面张力较小的气泡压力信号下，最小压力较小，因为气泡扯开之后表面已经带有初始的表面活性剂覆盖，因而在最小压力已经有较小表面张力。

通过测量气泡寿命的表面张力分辨率取决于标准气泡寿命，后者例如是由进入水中的空气质量流量调节的。在水中调节的基准气泡寿命为300ms(见图4)下，已经具有每1mN/m为3.9ms的灵敏度。表面张力传感器的标定，例如在温度已知，因而表面张力已知的水中进行，其中测量气泡寿命并将其设置为基准气泡寿命。采取这样的方法，可以有利地不必采用气体质量流量或气体容积流量的调节。

图5表示将压电转换器作为声压转换器应用于上述方法。压电声压转换器4在一个适当的位置上连接该系统容积3。压电声压转换器4由两个带有连接线的金属接触面6组成，它们之间贴着所谓压电晶体7。压电声压转换器4在气动系统3中压力变化时在接触面6上产生电荷偏移。气泡压力随时间的变化或气泡压力对时间的导数dp/dt与外面实测的流量成正比。借助于计算电路对实测的流量进行积分，便可以产生一个与压力信号成正比的电压信号u(t)。因为按照本发明感兴趣的只是最小压力p_min和最大压力p_max之间的时间间隔t_life，而不是最大压力的高低或者最大压力差本身，这大大降低了计算电路的成本。这个时间t_life可以用价廉物美的微控制器求出。

图6表示应用按照本发明的气泡寿命法的情况下，在洗衣机中应用的功能结构。

在洗衣机的流体部分8中，在碱液容器9的旁路上安排测量容器10，其中注入由碱液泵11进行过程控制的洗涤碱液并在那里混合。液体的表面张力与温度关系非常密切，故用温度传感器12测量碱液温度θ。

气动装置13由毛细管1、系统容积3、压力传感器或者声压转换器14和空气恒流源15，16，17组成。在示例中空气泵15，例如带有电动机或者压电驱动装置的膜式泵，通过缓冲容积17，通过节流阀16把空气压入气动系统，后者一方面连接压力传感器或者声压转换器14，另一方面连接毛细管1。节流阀16用来调整空气泵15的工作点并作为尽可能大的气阻，防止气泡压力反作用在其工作点上。另一种可能性是连接气压容器。毛细管1以其尖端浸入测量容器10。

没有详细表示的电子电路18对从压力传感器或者声压转换器14读取的信号u(t)以及由温度传感器12发出的信号进行求值并控制测量过程。它们具有连接洗衣机控制装置的接口。

表面张力传感器在温度已知，因而表面张力(σ)已知的水中标定，其中正如已经描述的那样，测量气泡寿命(t_life)并由此算出气体质量流量或气体容积流量

测量或者标定过程从接通泵(15)开始，其中在一个在缓冲容积(17)内建立足够恒定的压力的确定的时间之后，测量气泡寿命(t_life)。在表面张力传感器应用于洗衣机的情况下，对表面张力传感器的标定在加水时进行，其中在测量和标定过程中洗衣机滚筒静止。

图7表示通过一个按照本发明的方法工作的紧凑的表面张力传感器的示意剖面。在这个紧凑的表面张力传感器中空气泵、缓冲容积、节流阀、系统容积、压电声压转换器和毛细管集成在一起。

该紧凑的表面张力传感器由本体19构成、其上形成有毛细管1的接头以及系统容量3、节流阀16、缓冲容积17的空间、泵空间20和带有用于阀帽21的部件的泵阀门。

系统容积3通过在图5中作了详细描述的压电转换器4封闭，。缓冲容积17用盖板22密封。压电转换器4由两个带有连接导线的金属接触面6组成，它们之间贴有所谓压电晶体7，封闭泵空间20并形成空气泵15的膜驱动。

这样设置的表面张力传感器采用喷塑法以极其低廉的成本制造。

Claims (10)

1.按照气泡压力原理测量液体表面张力的方法，其中在确定的气体质量流量或气体容积流量下测量浸入液体的毛细管尖端(1)上的气泡参数，并由此算出表面张力σ，其特征在于，在确定的气体质量流量或气体容积流量m₁下，测量气泡的最小压力p_min和气泡的最大压力p_max之间的气泡寿命t_life和由此产生的气泡(2)的确定的压力上升率dp/dt，其中由此算出表面张力σ＝K·t_life。

2.按照权利要求1的方法，其特征在于，借助于压力传感器(14)测量气泡寿命t_life，该压力传感器在时间上检测出气泡(2)上的最小压力p_min状态和最大压力p_max状态并产生信号。

3.按照权利要求2的方法，其特征在于，压力传感器(14)把气泡的最小压力p_min和最大压力p_max状态转换为电压信号u(t)。

4.按照权利要求1的方法，其特征在于，用连接有节流阀(16)的膜式泵(15)产生确定的气体质量流量或气体容积流量m₁。

5.按照权利要求4的方法，其特征在于，在该膜式泵(15)和该节流阀(16)之间用缓冲容积(17)来使该确定的气体质量流量或气体容积流量m₁平滑。

6.按照权利要求1的方法，其特征在于，用连接有节流阀(16)的缓冲容积(17)来产生确定的气体质量流量或气体容积流量m₁。

7.按照权利要求1的方法，其特征在于，设有用于测量液体表面张力的表面张力传感器，所述表面张力传感器在温度已知的，从而表面张力σ已知的水中标定，其中测量气泡寿命t_life并由此算出气体质量流量或气体容积流量m₁。

8.按照权利要求5的方法，其特征在于，测量或者标定过程从接通泵(15)开始，并在一个确定的时间之后测量气泡寿命t_life，其中在所述确定的时间中在缓冲容积(17)内已经建立足够恒定的压力。

9.按照权利要求1的方法，其特征在于，设有用于测量液体表面张力的表面张力传感器，当在洗衣机中应用所述表面张力传感器时，在注水时标定该表面张力传感器，在测量和标定过程中洗衣机滚筒静止。

10.用于按照上面权利要求中至少一个的方法测量液体表面张力的装置，其特征是，所述装置具有一个紧凑结构，所述紧凑结构具有一个本体(19)，在所述本体上形成毛细管(1)的接头以及系统容量空间(3)、节流阀(16)、缓冲容积(17)用的空间、泵空间(20)和带有用于阀帽(21)的部件的泵阀门；还具有毛细管(1)本身、一个将系统容量空间(3)封闭的压力传感器、阀帽(21)、用于封闭缓冲容积(17)的盖板(22)和另一个用作一个膜式泵(15)的驱动装置的压力传感器，其中毛细管(1)经毛细管(1)接头与系统容量空间(3)连通，系统容量空间(3)经节流阀(16)与缓冲容积(17)空间连通，并且泵空间(20)经泵阀门与缓冲容积(17)空间连通，其中所述压力传感器均为压电转换器。

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