CN105181532B - 一种基于液滴体积测量液体的表/界面张力的装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于液滴体积测量液体的表/界面张力的装置及方法，由计算机单元控制加液单元的计量注射器工作，设定液滴脱离的检测图像区域，使液滴在毛细管端口形成直至脱落，摄像单元对液滴图像进行连续拍摄，计算机单元从连续拍摄图像中确定液滴脱落的时间点，同时计量注射器记载的体积与前一液滴脱落时体积的差值，计算出当前脱落液滴的体积和校正因子，根据校正因子、脱落液滴的体积和输入的相关参数，计算出待测液体的表/界面张力，测量装置结构简单，测量方法简便，抗干扰能力强，测量精度高，用于溶液表面活性剂临界胶束浓度和样品溶液表面活性动态监视，实现表/界面张力的测量过程自动化。

Description

一种基于液滴体积测量液体的表/界面张力的装置及方法

技术领域

本发明涉及液体的表面张力或界面张力的测量领域，具体是一种通过测量液滴脱落时的体积来确定液/气-表面张力或液/液-界面张力的测量装置及方法。

背景技术

液体在气相或真空中的表面张力和二个不相溶液相之间的界面张力缘由液体分子间的静相互吸引力，它不但是一个基本的物理参数，而且在许多工业生产过程中和对产品质量检测起着关键的作用，例如生产表面活性剂，喷墨打印机的油墨制造，表面张力的控制对产品质量都至关重要。

目前对液体表/界面测量方法有诸多装置及其方法，但都还停留在实验室人工操作完成，要在工业生产过程中实现对产品质量控制还存在许多不足。如CN201210566160.3提出一种基于轴对称液滴轮廓曲线和体积的液体表面张力测量方法，该方法虽然采用摄制液滴图像，但仍然是人为选定一个测量点，在这个选定测量点上人为测定相关的几何参数，不仅工作麻烦，测量速度慢，更重要的是由于人为选定测量点和人为测定测量点的几何参数，必然导致人为误差，测量结果误差都在5%以上，这种方法不能在工业生产过程中对产品质量提供控制参数，也不可能对液体表/界面张力实施动态监测。

发明内容

本发明提供一种基于液滴体积测量液体的表/界面张力的装置及方法，达到快速、准确测定并实时显示被测液体表/界面张力，使该装置能在许多工业生产过程中对产品质量提供控制参数。

本发明的设计方案是：

一种基于液滴体积测量液体的表/界面张力的装置，包括加液单元、毛细管、背景光源、摄像单元以及控制摄像单元和加液单元工作的计算机单元，其特征是所述加液单元至少设一计量注射器和连接第一计量注射器与所述毛细管之间的第一管路，所述毛细管的出口端设于气相或与待测液体不相溶液相的光路方向全透光的第一容器中；所述摄像单元对准毛细管端口为基准位置设定液滴脱离的检测图像区域，所述计算机单元通过摄像单元记载相邻液滴脱离毛细管端口时的体积差计算液体的表/界面张力。

所述加液单元还包括由第二管路与第一计量注射器的进液端相接的第二容器组成的第一加液单元，所述第二容器内盛装有待测液体，待所述第一计量注射器内的待测液体耗尽时或需要更换待测液体时，通过第二管路将第二容器内的待测液体或更新的待测液体输送至第一计量注射器内。

所述加液单元进一步包括由第三管路与第二计量注射器进液端口相连的第三容器组成的第二加液单元，第二计量注射器的出液端经由第四管路与第二容器相接，所述第三容器内盛装有待测液体的溶剂或母液，在所述计算机单元控制下通过所述第二加液单元的分配阀门往第二容器注入待测液体的溶剂或母液。

所述加液单元进一步包括由第五管路与第三计量注射器进液端相连的第四容器组成的第三加液单元，第三计量注射器出液端经由第六管路与第一容器相接，所述第四容器内盛装有液相溶剂或其他溶液，在所述计算机单元控制下通过所述第六管路往第一容器注入液相的溶剂或其他溶液。

一种通过前述装置测量液体的表/界面张力的方法，其特征是包括如下步骤：

a、启动计算机单元控制程序，输入测量数据和相关参数：包括毛细管的管径，液滴相和周围相的密度，测量地的重力加速度，加液速度，测量次数；

b、摄像单元对准毛细管端口，调节毛细管至合适位置使毛细管端口成像清晰，计算机单元以毛细管端口为基准位置设定液滴脱离检测的图像区域；

c、加液单元往毛细管加入待测液体，在毛细管的端口形成液滴至脱离，由摄像单元对液滴形成至脱离进行拍摄连续的液滴图像，计算机单元从液滴图像中确定液滴脱离毛细管端口的时间点；

d、计算机单元读取液滴脱落时计量注射器所处的体积位置，与前一液滴脱离时计量注射器的体积差值，得出当前脱离液滴的体积；

e、计算机单元根据脱离液滴的体积及毛细管径计算出校正因子，根据校正因子、脱离液滴的体积和输入的相关参数计算出待测液体的表/界面张力。

所述b步中液滴脱离检测的图像区域包括脱落前液滴图像一部分。

当所述毛细管的端口朝上时，所述用于液滴脱离检测的图像区域位于毛细管端口的上方，当所述毛细管的端口朝下时，所述用于液滴脱落检测的图像区域位于毛细管端口的下方。

所述c步中确定出液滴从毛细管端口脱离的时间点的步骤具体为：由计算机单元计算所述液滴脱离检测图像区域内的像素灰度平均值，当该值发生剧烈变化时确定为液滴脱离时间点。即由计算机单元计算所述液滴脱离检测图像区域内的像素灰度平均值或任一与此值成正相关关系的值，当该值发生剧烈变化时，确定为液滴脱离时间点。

如果第二容器内的液体不断地或以一定的时间间隔取之于某一需要被监测的（过程中的）液体样品，或者第一加液单元进液端直接与被监测的液体样品相连时，装置可用于监测液体表面张力随时间的动态变化。由计算机单元控制第二计量注射器往第二容器内添加待测液体的溶剂或母液，改变待测液体某一组分的浓度，用于测量液体表面张力随溶液组分浓度的变化，从变化曲线可以确定表面活性剂溶液的临界胶束浓度值。

由计算机单元控制第三计量注射器往第一容器内添加液相的溶剂或母液，改变第一容器内液相的化学组成或浓度，用于测量化学组成或浓度对界面张力的影响。在向待测液体添加溶剂或母液时，应对添加后的待测液体设搅拌器进行搅拌，使之混合均匀。

前面所述的装置也可以在通常的光学视频接触角或/和悬滴法表/界面张力测量仪器已有的组件的基础上，通过替加必要的、缺少的部件，建立起来。

本发明的有益效果是：由计算机单元控制加液单元和摄像单元工作，通过对监测图像区域像素灰度值的剧烈变化的检测确定液滴脱离的时间点，计算出当前脱离液滴的体积，进而计算出待测液体的表/界面张力。测量装置结构简单，测量方法操作容易，抗干扰能力强，能在实时显示测量值，测量精度高，由液滴脱离的时间点的不确定性引入的测量误差为0.05%，可用于监测液体表/界面张力随时间的动态变化，以及用于确定表面活性剂溶液的临界胶束浓度值。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的测量装置的结构示意图。

图2是本发明实施例一中从一个水/空气-液滴脱落前、后获得的连续图像，其中相邻图像的间隔时间为30ms，从左到右、从上到下分别为A₁→B₁→C₁→D₁表示。

图3是液滴脱落检测的图像区域内像素灰度平均值在水/空气-液滴形成、成长和脱落过程中的变化图。

图4是本发明实施例一测量得到的水在空气中的表面张力值随单个液滴的变化（波动）图。

图5是本发明实施例二中从一个水/食用油-液滴脱落前、后获得的连续图像，其中相邻图像的间隔时间为67ms，从左到右、从上到下分别为A₂→B₂→C₂→D₂表示。

图6是液滴脱落检测的图像区域内像素灰度平均值在水/食用油-液滴形成、成长和脱落过程中的变化图。

图7是本发明实施例三提供的测量装置的结构示意图，其可用于全自动测量临界胶束浓度（CMC）。

图8是本发明实施例四提供的测量装置的毛细管端口朝上结构示意图。

图9是本发明的计算机单元对加液单元和摄像单元的控制流程图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细说明，但实施例不是对本发明保护范围的限制。

实施例一、水/空气表面张力的测量

如图1所示，本发明实施例提供的基于液滴体积测量液体的表/界面张力的装置包括第一加液单元9，经由第一管路10与第一加液单元9的出液端相接的毛细管1，背景光源4和摄像单元6，以及用以控制摄像单元6和第一加液单元9工作的计算机单元13，其中所述毛细管1的端口浸没于气相或与待测液体不相溶的液相中，所述背景光源4的发光点与毛细管1的端口处于摄像单元6的镜头5的水平光轴上。其中，第一加液单元9由马达驱动且配备有精密计量注射器3（0.1-10.0ml），可通过控制系统由计算机单元13控制其运转和运转速度，并可以读取其当前的体积位置。在玻璃注射器内装入待测的液体样品（单组份液体或溶液）。

此外，本发明实施例提供的第一加液单元9还包括经由第二管路20与第一计量注射器3的进液端相接的第二容器11，所述第二容器11内盛装有待测液体，其中所述气相或液相位于对背景光源4发出的光路方向全透明的第一容器8内。具体地，在毛细管1端口的下方放置接纳脱落液滴的第一容器8，为了减少空气流动对液滴2稳定性的影响，同时减少液滴液体在液滴形成、测量等待过程中挥发，最好把毛细管1端口伸入到第一容器8内，并加适当的盖子尽量密封。进一步地，所述第一容器8由调节台7承载，所述调节台7置于仪器平台上，其中第一和第二容器及第一加液单元外围必要时可以均设温控夹套单元12以维持一定的测量温度。启动计算机单元13的应用程序，在实时图像状态下，调节毛细管1的上、下、左、右位置，使其端口有部分（约0.25-1mm）在图像的上方可见，且处于图像的左右中间位置，如图2所示。调节图像的聚焦和相关的图像参数，使得毛细管端口图像清晰、亮度和反差度适宜。

如图9所示，本发明实施例还提供基于上述测量装置测量液体的表/界面张力的方法，包括如下步骤：a、计算机单元13启动控制程序，向计算机输入测量数据和相关参数：毛细管的管径，液滴相和周围相的密度，测量地的重力加速度，加液速度或速度范围，测量次数；b、摄像单元6对准毛细管1端口，调节毛细管至合适位置使毛细管1端口成像清晰，以毛细管1端口为基准位置设定液滴2脱落的检测图像区域；c、由第一加液单元9按照设定的加液速度往毛细管1加入待测液体，使待测液体在毛细管1的端口形成液滴2，进而使其长大直至脱落，在此过程中由摄像单元6对液滴形成、长大、脱落过程进行实时拍摄以获得连续的液滴图像，计算机单元13对获取的所述液滴图像进行分析、计算后确定出液滴从毛细管端口脱落的时间点；d、由计算机单元13依序读取液滴脱落时计量注射器3所处的体积位置，之后比较当前液滴脱落与前一液滴脱落时计量注射器3所处的体积位置，得出当前脱落液滴的体积；e、计算机单元根据脱落液滴的体积及毛细管的管径计算出校正因子，然后根据校正因子、脱落液滴的体积和输入的相关参数计算出待测液体在周围相中的表/界面张力。具体地，在计算机单元13中输入必要的测量参数，例如所用毛细管1端口的直径（根据形成的液滴是润湿外管壁还是内管壁，这里应输入相应的管壁外直径或内直径），液滴相和周围相的密度，测量的重复次数或/和所要求的精度，以及所希望的液滴形成的速度或速度范围及速度变化步长。启动测量后，计算机单元13首先将对当前的图像进行检测，以确定毛细管1端口是否出现在图像中，其成像是否清晰，位置是否适当，如果发现任何问题将提醒用户进行改进。计算机单元13将根据测定的毛细管1端口在图像中的位置，自动确定用于液滴脱落检测的图像区域（DDDA），它一般应从毛细管端口下方、离开端口约半个毛细管直径开始，相当于一个毛细管直径的高度和二个毛细管直径的宽度，此区域的水平位置以毛细管轴线为中心（参见图2中的虚线框）；必要时用户可以修正DDDA的设定。然后计算机单元13将以设定的速度开始加液，同时连续监测图像中液滴的形成、成长过程，并跟踪所设定的DDDA内的图像平均灰度值的变化。当此区域的平均灰度值出现剧烈变化时（参看图2 B1→C1和图3 t₀→t₁），就意味着液滴的脱落瞬间。计算机单元13将记录这一时间点t₀，并同时读取此时刻第一加液单元9内计量注射器3所处的体积位置v₀。随着加液的继续，下一个液滴开始出现，计算机单元13以同样的方式跟踪其形成、成长过程，并监测DDDA内的平均灰度值的变化。当此值再次发生剧变时，就意味着第二个液滴脱落，计算机单元13记录液滴脱落发生的时间点t₁和对应的第一加液单元9内注射器所处的体积位置v₁。从v₁和v₀的差值dv₁=（v₁-v₀），计算机单元13就可计算出刚才脱落的液滴的体积，从时间差（t₁-t₀）可以确定液滴从形成到脱落的时间间隔或换算成相应的界面寿命。这样的测量将继续进行，直到设置的测量液滴总数完成或达到测量精度为止。测量精度是指从不同的脱落液滴测定的脱落液滴体积数值的波动幅度。计算机单元13从所测量的单个液滴的脱落体积计算出平均脱落体积以及标准偏差，再根据液滴脱落体积与界面张力的经验关系式、输入的毛细管直径和体系的密度值计算出各自所对应的表面张力值以及测量的标准偏差。这过程中采用了相应的经验校正因子，以校正液滴脱落体积只占液滴脱落前瞬间总体积的一部分和该时刻液滴与毛细管管面之间的润湿接触角与假设值之间的差异。以图3中所示的第一滴脱落液滴为例：t₀=0.763s,v₀=36.04μl; t₁=86.159s, v₁=62.13μl。由此可以计算出液滴脱落发生时的体积dv₁=（v₁-v₀）=26.09μl，液滴从形成到脱落的总寿命为（t₁-t₀）=85.396s。采用的毛细管的外经=1.457mm，测量的体系为水在空气中（约23°C），其所对应的密度差=0.9964g/cm³，测量当地的重力加速度=9.8067m/s/s。采用Lee-Chan-Pogaku经验关系式（BB Lee, P Ravindra,ES Chan，Chemical Engineering Communications 195 (8), 889-924，2008），可以从测量得到的脱落液滴的体积=dv₁和采用的毛细管直径按照下面的步骤计算出液滴体积法的校正因子：

将代入上式后，得到

得到了校正因子后，就可以根据液滴体积法的关系式计算出水在空气中的表面张力值：

如果测量过程设置了加液速度范围，计算机单元13将采用下一步的加液速度，重复上面的测量过程，以获得对应于新加液速度下的表面张力值以及偏差。

这一步骤将继续，直到整个测量任务完成。如果在整个测量任务完成前，出现注射器内的液体样品耗尽情况，计算机单元13将提示用户重新装载液体样品，然后从中断点开始再继续测量，但每次重新装载液体样品后形成的第一个液滴将被忽略。如果所采用的第一加液单元9的进液端通过阀门与第二容器11内的待测液体样品相连（见图1中的11和9），而且阀门也可通过控制器由计算机单元控制，则计算机单元13可以在第一加液单元9的计量注射器3内的液体样品耗尽前，自动、重新装载液体样品，这又可以进一步提高测量过程的自动化程度。

由于检测脱落而引起的脱落时间误差最大不超过相机抓取一幅图像的所需时间（见图2），这一时间对普通的标准制式摄像机为40ms(CCIR) 或33ms(RS-170)，多数当前采用的数码摄像机的速度要快得多。如以最长的40ms来估算，上面采用的加液速度为0.3μl/s，与40ms相对应的体积误差为0.3μl/s·0.040s= 0.012μl，由此而引起的表面张力的测量误差为0.012/26.09 = 0.05%。如果加液的速度提高10倍，那么对应的最大可能测量误差也相应地提高10倍，为0.5%。通过提高相机的速度（如运用数码摄像机只抓取感兴趣区域AOI的图像数据，可以成倍、甚至几十倍地提高相机获取图像的速度），采用较小直径的毛细管，和采用二副图像之间的中间插值计算，由检测脱落而引起的脱落时间误差而导致的对表/界面张力测量值的最大可能测量误差完全可以控制在0.2%以下。

图4给出了对上述水/空气-体系进行连续30个液滴的测量结果。脱落液滴的评价值及标准偏差为26.30±0.07μl，测得的表面张力值为72.29±0.18mN/m (0.25%)，这一测量精度与其它精密测量设备基本相同。

如果图1中的第二容器11内的液体不断地或以一定的时间间隔取之于某一需要被监测的（过程中的）液体样品，或者第一加液单元9的进液端直接与被监测的液体样品相连，那么这样的装置和测量方法就可被用来全自动地监测液体样品的表面活性（或表面活性剂的浓度）随时间的变化。

实施例二、水/油界面张力的测量

本实施例采用测量装置与实施例一中的相同（见图1）。启动计算机单元13，在实时图像状态下，调节毛细管1的上、下、左、右位置，使其端口有部分（约0.25-1mm）在图像的上方可见，且处于图像左右中间的位置,参见图2。调节图像的聚焦和相关的图像参数，使得毛细管1端口图像清晰、亮度和反差度适宜。缓慢挤出第一加液单元9内的液体（水），使其在毛细管1端口形成一小的液滴2。在毛细管端口的下方放置一装有（密度较低的）另一液相的第一容器8，这里以食用菜油（有机相）为例。然后通过调节样品平台升高第一容器8让挂有液滴的毛细管1端口缓慢伸入到玻璃容器的液体相内，使其深入液面约2mm以下。再次调节图像的聚焦和相关的图像参数，使得毛细管1端口图像清晰、亮度和反差度适宜。

相同于实施例一，在计算机单元13中输入测量数据和必要的相关参数,这里的体系密度是液滴相（水）和周围相（食用油）的密度。启动控制程序后，计算机单元13的执行步骤与实施例1中相同，在确定毛细管端口1位置适当、成像清晰后，自动确定用于液滴脱落的检测图像区域（DDDA）。然后由计算机单元13控制第一加液单元9使其以设定的速度开始加液（水），同时连续监测图像中液滴的形成、成长过程（图5的A2→B2），并跟踪所设定的DDDA内的图像平均灰度值的变化的（见图5 B2→C2）。当此区域的平均灰度值出现剧烈变化时（见图6），就意味着液滴的脱落瞬间。计算机单元13将记录这一时间点t₀，并同时读取对应此时刻第一加液单元内注射器所处位置v₀。随着加液的继续，下一个液滴开始出现，计算机单元以同样的方式跟踪其形成、成长过程，并监测DDDA内的平均灰度值的变化。当此值再次发生剧变时，就意味着第二个液滴的脱落，计算机单元13记录液滴脱落发生的时间点t₁和对应的注射器的体积位置v₁。从v₁和v₀的差值dv₁=(v₁-v₀)，计算机单元13就可计算出刚才脱落的液滴的体积，从时间差(t₁-t₀)，可以确定液滴的从形成到脱落的总时间或换算成相应的界面寿命。这样的测量将继续进行，直到设置的测量液滴总数完成或达到测量精度为止。计算机单元13从所测量的单个液滴的脱落体积计算出平均脱落体积以及标准偏差，再根据液滴脱落体积与界面张力的经验关系式、输入的毛细管直径和体系的密度值计算出各自所对应的界面张力以及测量的标准偏差，这过程采用了相应的经验校正因子。以图6中所示的第一滴脱落液滴为例：t₀=32.507s, v₀=104.92μl; t₁=277.970s, v₁=214.67μl。由此可以计算出液滴脱落发生时的体积dv₁=(v₁-v₀)=109.75μl，液滴从形成到脱落的总时长为(t₁-t₀)=245.463s。采用的毛细管的外经=1.457mm，测量的体系为水在食用葵花子油中的界面（约23°C），对应的密度差=0.083g/cm³，测量当地的重力加速度=9.8067m/s/s。与实施例一计算方法相同，根据以上数据计算出水在食用葵花子油中的界面张力为23.04mN/m，这一测量结果与文献上报道的数值相符合。

另外，对于液/液-界面体系，由于毛细管表面的不完美，可能发生液滴界面在毛细管管壁表面润湿不均匀现象，这会对测量结果产生很大的影响。但本发明方法由于提供实时的液滴成像图像，所以当这种情况出现时，就能马上被发现，以便及时采取措施，消除这一错误源。

实施例三、全自动CMC测量

参见图7，在实施例一、二的基础上，本实施例提供的测量装置进一步包括由计算机单元13控制的第二加液单元16，其进液端经由第三管路30与第三容器17相接，出液端经由第四管路40与第二容器11相接；其中所述第三容器17内盛装有待测液体的溶剂或已知浓度的溶液（母液），在所述计算机单元13控制下通过所述第二加液单元16的计量注射器3a分配阀门往第二容器11注入待测液体的溶剂或母液。同样地，第二加液单元16系一由马达驱动且配备有精密计量注射器3a及三通分配阀门的自动注射泵（syringe pump）液体分配系统，可通过控制系统由计算机单元控制其阀门通道、运转和运转速度，并可以读取其当前的体积位置。所述第二容器11设有磁搅拌器15及磁性搅拌子14，其中所述磁搅拌器15位于第二容器11的底部，磁性搅拌子14设于第二容器11的内部。如图7所示，测量开始前在第二容器11内加入一定体积V₀的纯溶剂（如水）或已知起始浓度(C₀)的表面活性剂溶液，启动磁性搅拌机构（选择一合适的搅拌速度），并将V₀和C₀值输入计算机单元13。在毛细管1端口的下方放置接纳脱落液滴的第一容器8，为了减少空气流动对液滴稳定性的影响，同时减少液体样品在液滴形成、测量等待过程中挥发，最好把毛细管1端口伸入到光路方向透光的第一容器8内，并加适当的盖子尽量密封。毛细管位置以及图像的调节与实施例一、二中描述的相同。在计算机单元13设置中除了输入相同于前面实施例中的一些必要的测量参数外,还应输入母液的浓度C_s,测量的浓度范围以及浓度变化的模式，用于形成液滴的加液速度或速度范围等。启动测量，在确定毛细管1端口位置适当、其成像清晰后，计算机单元13自动确定用于液滴脱落检测的图像区域（DDDA）位于毛细管端口的下方。然后由计算机单元13从当前置于第二容器11的溶液（浓度为C₀）开始进行测量：首先用一定体积的溶液对测量管路进行清洗，同时记录整个清洗过程所消耗的液体体积量。清洗完毕后，根据设置的重复次数和加液速度或速度范围等，开始对这一浓度的溶液的表面张力进行测量。测量完成后，将根据设定的浓度变化模式，确定下一步第二容器11的溶液浓度。必要时通过移走一定体积的当前溶液和替加一定体积的母溶液来配置下一步浓度的溶液。配置完成后，等待一定的时间以保证混合均匀。然后开始对处于当前第二容器11内的溶液进行表面张力的测量，过程与上一步相同，也即包括测量管路的清洗和按照设置进行测量。当这一浓度的测量完成后，继续下一浓度溶液的配置和测量，如此循环，直到整个设定的浓度范围或浓度点的测量全部完成。

在上面测量获得的不同浓度下的溶液的表面张力值的基础上，计算机单元13就可根据一定的、熟知的计算方式确定表面活性剂溶液的临界胶束浓度（CMC）值。

上面的测量完全也可从高浓度开始往低浓度方向进行。此时，在测量开始时，往第二容器11内加入一定体积的、已知浓度（高浓度）的溶液，而在与第二加液单元16的进液端相连接的第三容器17内加入纯溶剂（如水）。其它的操作步骤与上面的类同。

实施例四、采用上升液滴脱落法

液/液-界面张力的测量可以运用上升液滴体积法来实现，并且在有些情况下（比如密度较低的液相透光性能不好，但另一相较好），只能通过运用上升液滴体积法来实现。

如图8所示，采用上升液滴体积法时，把二相中密度较高的、透光的一液相置于光路方向全透明的第一容器8中。第一容器8中是否有必要放置一磁性搅拌子14、并且将它置于一可通过计算机单元13控制其动作的磁搅拌器15之上，取决于放置于第一容器8内的这一液相的化学组成（如第三组分浓度）在测量过程中是否需要通过替加另一溶液来进行改变。第一加液单元的9进液端与待测体系的另一相（密度较低的一相）相连，其计量注射器3内也装载有这一相的液体；与其出液端相连的毛细管1潜入到第一容器8内放置的液体的液面以下，且端口/出口朝上，并保证端口应至少处于液面约10mm以下。在设置好相应的测量参数，启动测量后，计算机单元13将对毛细管1的位置以及其图像进行检测，并且确定检测图像区域DDDA在毛细管端口上方。若有必要时磁性搅拌子14将随后启动搅拌，在搅拌一定时间后，停止搅拌。然后开始运用第一加液单元9以一定的速度开始加液以在毛细管1端口形成上升的液滴来测量溶液的界面张力，其具体测量过程和计算方法与实施例一～三相同。

如果要测量界面张力随着密度较高的一相的化学组成（如第三组分浓度）发生变化时的依赖关系，可以进一步设置由计算机单元13控制的第三加液单元18，其进液端经由第五管路50与第四容器19相接，出液端经由第六管路60与第一容器8相接；其中所述第四容器19内盛装有第三组分的液相，用于改变密度较高一相的化学组成（第三组分浓度），在所述计算机单元13控制下通过所述第三加液单元18计量注射器3b的分配阀门往第一容器8注入第三组分的液相。如在测量表面活性剂浓度对界面张力的影响时，第四容器19内可以是表面活性剂含量较高的母溶液，也可以是纯溶剂（如水），具体取决于测量是从低浓度往高浓度，还是相反方向进行。待当前化学组成（浓度）的溶液（或液体）测量完成后，计算机单元13将根据设置确定下一个浓度点，并且通过往第一容器8内替加一定量的第四容器19中的溶液（母溶液或纯溶剂）来配置这一浓度的溶液。然后计算机单元13再次启动搅拌，在搅拌一定时间后，停止搅拌；然后启动第一加液单元9以一定的速度开始加液以在毛细管1端口形成上升液滴来测量当前组成（浓度）溶液的界面张力。如此反复循环，直到所有的浓度点测量完成。在溶液配制时，需要始终保证溶液的液面高度足够高，以确保毛细管端口始终处于液面以下足够深的位置。

Claims (10)

1.一种基于液滴体积测量液体表/界面张力的装置，包括加液单元、毛细管、背景光源、摄像单元以及控制摄像单元和加液单元工作的计算机单元，其特征是所述加液单元至少设一计量注射器和连接第一计量注射器与所述毛细管之间的第一管路，所述毛细管的出口端设于气相、或与待测液体不相溶液相的光路方向全透光的第一容器中；所述加液单元用于向毛细管加入待测液体，使毛细管的端口形成液滴至脱离；所述摄像单元用于对液滴形成至脱离拍摄连续液滴图像，计算机单元用于处理、分析所述液滴图像以检测/确定液滴从所述毛细管端口脱离的时间点，所述第一计量注射器用于计量/检测从毛细管端口脱离液滴的体积，计算机单元根据脱离液滴的体积和所述毛细管管径计算校正因子，再根据校正因子、脱离液滴体积和输入的相关参数计算液体表/界面张力。

2.根据权利要求1所述的一种基于液滴体积测量液体表/界面张力的装置，其特征是所述加液单元还包括由第二管路与第一计量注射器的进液端相接的第二容器组成的第一加液单元，所述第二容器内盛装有待测液体，待所述第一计量注射器内的待测液体耗尽时或需要更换待测液体时，通过第二管路将第二容器内的待测液体或更新的待测液体输送至第一计量注射器内。

3.根据权利要求2所述的一种基于液滴体积测量液体表/界面张力的装置，其特征是所述加液单元进一步包括由第三管路与第二计量注射器进液端口相连的第三容器组成的第二加液单元，第二计量注射器的出液端经由第四管路与第二容器相接，所述第三容器内盛装有待测液体的溶剂或母液，在所述计算机单元控制下通过所述第二加液单元的分配阀门往第二容器注入待测液体的溶剂或母液。

4.根据权利要求2所述的一种基于液滴体积测量液体表/界面张力的装置，其特征是所述加液单元进一步包括由第五管路与第三计量注射器进液端相连的第四容器组成的第三加液单元，第三计量注射器出液端经由第六管路与第一容器相接，所述第四容器内盛装有液相的溶剂或其它溶液，在所述计算机单元控制下通过所述第六管路往第一容器注入液相的溶剂或其它溶液。

5.根据权利要求3所述基于液滴体积测量液体表/界面张力的装置，其特征是计算机单元控制第二计量注射器往第二容器内添加待测液体的溶剂或母液，改变待测液体的浓度，用于测量液体表面张力随溶液组分浓度的变化，从变化曲线也可以进一步确定表面活性剂溶液的临界胶束浓度值。

6.根据权利要求 4所述基于液滴体积测量液体表/界面张力的装置，其特征是计算机单元控制第三计量注射器往第一容器内添加第三组分的液相，以改变第一容器内液相的化学组成或浓度，测量界面张力与液相的化学组成或浓度的依赖关系。

7.根据权利要求 1所述基于液滴体积测量液体表/界面张力的装置用于测量液体的表/界面张力的方法，其特征是包括如下步骤：

a、启动计算机单元控制程序，输入要测量的数据和相关参数：包括毛细管的管径，液滴相和周围相的密度，测量地的重力加速度，加液速度，测量次数；

b、摄像单元对准毛细管端口，调节毛细管至合适位置使毛细管端口成像清晰，计算机单元以毛细管端口为基准位置设定液滴脱离的检测图像区域；

c、加液单元往毛细管加入待测液体，在毛细管的端口形成液滴直至脱离，由摄像单元对液滴形成至脱离进行拍摄连续的液滴图像，计算机单元从所述液滴图像中确定液滴从毛细管端口脱离的时间点；

d、计算机单元读取、确定液滴脱落时刻计量注射器所处的体积位置，与前一液滴脱离时刻计量注射器的体积差值，得出当前脱离液滴的体积；

e、计算机单元根据脱离液滴的体积及毛细管管径计算出校正因子，根据校正因子、脱离液滴的体积和输入的相关参数计算出待测液体的表/界面张力。

8.根据权利要求7所述的用于测量液体的表/界面张力的方法，其特征是所述b步中液滴脱离的检测图像区域包括脱落前液滴图像一部分。

9.根据权利要求7所述的用于测量液体的表/界面张力的方法，其特征是c步中确定液滴从毛细管端口脱离的时间点的步骤具体为：由计算机单元计算所述液滴脱离检测图像区域内的像素灰度平均值或任一与此值成正相关关系的值，当该值发生剧烈变化时，确定为液滴脱离时间点。

10.根据权利要求7所述的用于测量液体的表/界面张力的方法，其特征是当所述毛细管的端口朝上时，所述用于液滴脱离检测的图像区域位于毛细管端口的上方；当所述毛细管的端口朝下时，所述用于液滴脱落检测的图像区域位于毛细管端口的下方。