CN105092422A - 一种便携式控温表面张力仪 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种便携式控温表面张力仪，可应用于恒温条件下液体表面张力的测量。该测量装置包括了进样模块、控温观测模块、摄像模块和图像处理计算模块。本发明测量基于悬滴法原理，并采用夹套式控温结构和自动进样方式，具有性价比高、精度高和便携的优点。

Description

一种便携式控温表面张力仪
技术领域
本发明涉及一种便携式控温表面张力仪，具体涉及基于悬滴法测量不同温度下液体表面张力的装置，属于液体的物理化学性质测量技术领域。
背景技术
表面张力仪广泛地应用于液体表面张力的测试。液体表面张力的测定方法分为静力学法和动力学法。静力学法有毛细管上升法、旋转滴法、Wilhelmy盘法、悬滴法、滴体积法、最大气泡压力法、差分最大气泡压力法；动力学法有震荡射流法、毛细管波法。
悬滴法是一种绝对的静态测量方法，测量只有两个假设：1)液滴处于表面张力和重力的静力平衡；2)悬滴呈中心轴对称。对于粘度小于100Pa·s以下的液体，这二种假设很容易满足。此外，悬滴法还具有如下诸多优点：操作简便、省时，能快速取得准确可靠的结果；测量范围广，没有其它方法可与此相比拟；测量精度高，重复性好；是所有方法中液体用量最小的方法，原则上只需要几十微升的液体就可测量；测量的探针对形成的表/界面施加的影响最小；对液体的粘度最不敏感；非常适合高温、高压下的测量；并适用于进行动态测量。
目前基于悬滴法的表面张力仪主要有：瑞典FIBROsystemAB公司的PocketGoniometer系列、德国KRUSS公司DSA10系列、美国Kino公司的SL200系列等。这些表面张力仪主要缺点是价格高、无温控系统或设备体积庞大等。
发明内容
本发明的目的是提供一种性价比高、精度高和具便携性的表面张力仪。
实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种便携式控温表面张力仪，包括：进样模块、控温观测模块、摄像模块和图像处理计算模块，其特征在于：进样模块由贮液槽(1)、微型蠕动泵(2)、微型自吸泵(3)、进样管(4)、抽液管(5)、硅胶管、控制电路板(6)和数码显示器(7)组成，控温观测模块由恒温观测槽(8)、观测内管(9)、温度传感器(10)、加热管(11)、微型温控仪(12)和耐热循环泵(13)组成，摄像模块由显微镜头(14)、摄像头(15)、LED光源(16)和匀光材料(17)组成，图像处理计算模块由微型计算机和图像处理计算软件组成。
所述的进样排液模块中，贮液槽(1)用于存放待测液体；微型蠕动泵(2)通过硅胶管，一端插入贮液槽(1)底部，另一端连接进样管(4)；抽液管(5)一端插入观测内管(9)底部，另一端与微型自吸泵(3)连接；微型蠕动泵由电路板(6)控制其运行速度和时间；数码显示器(7)用于显示微型蠕动泵运行状态。
所述的控温观测模块中，恒温观测槽(8)为方形结构，槽盖(82)下部为倒方钟型卡口结构(81)，槽盖(82)与恒温观测槽(8)以法兰形式连接，与摄像头(15)正对的两个平行(槽壁)面上分别有一个观测孔(83)和一个透光孔(84)，孔内嵌入隔热光学玻璃，在观测(孔)面垂直方向上的恒温观测槽(8)内部对称分布两块挡板(85)，形成夹套结构；观测内管(9)为方形结构，采用光学玻璃材料，倒方钟型卡口结构(81)内壁衬耐热弹性材料(如硅胶垫)，使得观测内管(9)直接插入倒方钟型卡口结构(81)内可形成密封连接；进样管(4)、抽液管(5)和温度传感器(10)固定在槽盖(82)上，并穿过槽盖(82)下部的倒方钟型卡口结构(81)进入到观测内管(9)，进样管(4)口和温度传感器(10)顶端在垂直方向齐平，水平方向相差不小于0.5mm；加热管(11)一端通过耐高温材料(如耐高温陶瓷)固定在恒温观测槽(8)的槽盖(82)上，另一端插入恒温观测槽(8)内部；微型温控仪(12)与温度传感器(10)和加热管(11)连接；耐热循环泵(13)入口通过T型接头(86)与恒温观测槽(8)的透光面上两个出口管(87)相连，耐热循环泵(13)出口与恒温观测槽(8)底部的通孔采用螺纹连接。
所述的摄像模块中，摄像头(15)与显微镜头(14)相连，并与观测孔(83)正对，其通过USB接口与微型计算机连接；LED光源(16)与透光孔(84)正对；匀光材料(17)固定在透光孔一侧的隔热光学玻璃上。
所述的图像处理计算软件，包括了图像二值化、液滴轮廓提取和表面张力计算程序。
本发明采用夹套式控温方式，提供了稳定的测量温度，减少了空间尺寸；采用自动进样装置提高了液滴控制精度；基于Laplace方程对液滴轮廓图像拟合计算表面张力。本装置具有性价比高、控温精度高、便携和操作简便的特点。
附图说明
图1本发明结构装置示意图
图2恒温观测槽的结构装置示意图
图3基于轴对称液滴轮廓估计表面张力的基本算法思想
具体实施方式
以下列举1个实施例用于说明本发明的效果，但本发明的要求范围并非仅限于此。
图1-2可知，一种便携式控温表面张力仪，包括：进样模块、控温观测模块、摄像模块和图像处理计算模块；进样模块由贮液槽(1)，微型蠕动泵(2)，微型自吸泵(3)，进样管(4)、抽液管(5)、硅胶管、控制电路板(6)和数码显示器(7)组成；控温观测模块由恒温观测槽(8)、观测内管(9)、温度传感器(10)、加热管(11)、微型温控仪(12)和耐热循环泵(13)组成；摄像模块由显微镜头(14)、摄像头(15)、LED光源(16)和匀光材料(17)组成；图像处理计算模块由微型计算机和图像处理计算软件组成。
贮液槽(1)用于存放待测液体；微型蠕动泵(2)通过硅胶管，一端插入贮液槽(1)底部，另一端连接进样管(4)；抽液管(5)一端插入观测内管(9)底部，另一端与微型自吸泵(3)连接；微型蠕动泵由电路板(6)控制其运行速度和时间；数码显示器(7)用于显示微型蠕动泵的运行状态。
恒温观测槽(8)为方形结构，槽盖下部为倒方钟型卡口结构(81)，槽盖(82)与恒温观测槽(8)以法兰形式连接，与摄像头(15)正对的两个平行(槽壁)面上分别有一个观测孔(83)和一个透光孔(84)，孔内嵌入隔热光学玻璃，在观测(孔)面垂直方向上的恒温观测槽(8)内部对称分布两块挡板(85)，形成夹套结构。
观测内管(9)为方形结构，采用光学玻璃材料，倒方钟型卡口结构(81)内壁衬耐热弹性材料(如硅胶垫)，使得观测内管(9)直接插入倒方钟型卡口结构(81)内可形成密封连接；进样管(4)、抽液管(5)和温度传感器(10)固定在槽盖(82)上，并穿过槽盖(82)下部的倒方钟型卡口结构(81)进入到观测内管(9)，进样管(4)口和温度传感器(10)顶端在垂直方向齐平，水平方向相差不小于0.5mm。
加热管(11)一端通过耐高温材料(如耐高温陶瓷)固定在恒温观测槽的槽盖(82)上，另一端插入到恒温观测槽(8)内部；微型温控仪(12)与温度传感器(10)和加热管(11)连接。
耐热循环泵(13)入口通过T型接头(86)与恒温观测槽(8)的透光面上两个出口管(87)相连，耐热循环泵(13)出口与恒温观测槽(8)底部的通孔采用螺纹连接。
摄像头(15)与显微镜头(14)相连，并与观测孔(83)正对，其通过USB接口与微型计算机连接；LED光源(16)与透光孔(84)正对；匀光材料(17)固定在透光孔一侧的隔热光学玻璃上。
微型计算机用于控制摄像头拍摄和记录拍摄图像。
图像处理计算软件包括了图像二值化、液滴轮廓提取和表面张力计算程序。具体设计思路如下：首先对于把待测量液滴轮廓图像减去背景图像得到差影图像；然后采用Ostu方法对差影图像进行域值分割，得到二值化图像；采用Matlab中bwboundaries命令可得到二值图像中液滴轮廓坐标；最后基于Rotenberg等人(RotenbergY，BoruvkaL，NeumannAW.Determinationofsurfacetensionandcontactanglefromtheshapesofaxisymmetricfluidinterfaces[J].Journalofcolloidandinterfacescience，1983，93(1)：169-183.)的轴对称液滴算法来计算表面张力(图3)。
具体测量方法实现步骤如下：
1)向恒温观测槽(8)内加入加热介质(如水)，调节微型温控仪(12)，使温度达到所需温度；
2)往贮液槽(1)内加入待测液体，调整微型蠕动泵(2)的速度和时间来控制入悬挂液滴的体积；
3)液体稳定地悬停在进样管(4)口，稳定1min以上，使温度达到平衡；
4)调用摄像头进行图像采集；
5)对图像进行处理和分析，得到液体表面张力；
6)若重新更换待测液体时，打开微型自吸泵(3)，通过抽液管(5)把进入观测内管(9)底部的液体抽吸出来。

Claims (5)

1.一种便携式控温表面张力仪，包括：进样模块、控温观测模块、摄像模块和图像处理计算模块，其特征在于：进样模块由贮液槽(1)、微型蠕动泵(2)、微型自吸泵(3)、进样管(4)、抽液管(5)、硅胶管、控制电路板(6)和数码显示器(7)组成，控温观测模块由恒温观测槽(8)、观测内管(9)、温度传感器(10)、加热管(11)、微型温控仪(12)和耐热循环泵(13)组成，摄像模块由显微镜头(14)、摄像头(15)、LED光源(16)和匀光材料(17)组成，图像处理计算模块由微型计算机和图像处理计算软件组成。
2.根据权利要求1所述的表面张力仪，其特征在于，进样排液模块中贮液槽(1)用于存放待测液体；微型蠕动泵(2)通过硅胶管，一端插入贮液槽(1)底部，另一端连接进样管(4)；抽液管(5)一端插入观测内管(9)底部，另一端与微型自吸泵(3)连接；微型蠕动泵由电路板(6)控制其运行速度和时间；数码显示器(7)用于显示微型蠕动泵运行状态。
3.根据权利要求1所述的表面张力仪，其特征在于，控温观测模块中恒温观测槽(8)为方形结构，槽盖(82)下部为倒方钟型卡口结构(81)，槽盖(82)与恒温观测槽(8)以法兰形式连接，与摄像头(15)正对的两个平行面上分别有一个观测孔(83)和一个透光孔(84)，孔内嵌入隔热光学玻璃，在观测面垂直方向上的恒温观测槽(8)内部对称分布两块挡板(85)，形成夹套结构；观测内管(9)为方形结构，采用光学玻璃材料，倒方钟型卡口结构(81)内壁衬耐热弹性材料，使得观测内管(9)直接插入倒方钟型卡口结构(81)内可形成密封连接；进样管(4)、抽液管(5)和温度传感器(10)固定在槽盖(82)上，并穿过槽盖(82)下部的倒方钟型卡口结构(81)进入到观测内管(9)，进样管(4)口和温度传感器(10)顶端在垂直方向齐平，水平方向相差不小于0.5mm；加热管(11)一端通过耐高温材料固定在恒温观测槽(8)的槽盖(82)上，另一端插入到恒温观测槽(8)内部；微型温控仪(12)与温度传感器(10)和加热管(11)连接；耐热循环泵(13)入口通过T型接头(86)与恒温观测槽(8)的透光面上两个出口管(87)相连，耐热循环泵(13)出口与恒温观测槽(8)底部的通孔采用螺纹连接。
4.根据权利要求1所述的表面张力仪，其特征在于，摄像模块中摄像头(15)与显微镜头(14)相连，并与观测孔(83)正对，其通过USB接口与微型计算机连接；LED光源(16)与透光孔(84)正对；匀光材料(17)固定在透光孔一侧的隔热光学玻璃上。
5.根据权利要求1所述的表面张力仪，其特征在于，图像处理计算软件包括了图像二值化、液滴轮廓提取和表面张力计算程序。
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