CN109916780B - 一种基于轴对称液滴轮廓曲线的表面张力测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于轴对称液滴轮廓曲线的表面张力测量方法，其需要的样品少，计算过程简单，方便快捷。本发明通过以下的技术方案实现。一种基于轴对称液滴轮廓曲线的表面张力测量方法，包括如下步骤：拍摄悬挂的液滴图像，提取液滴轮廓曲线；在所述液滴轮廓曲线上选定一个测量点；测量出所述液滴轮廓曲线上与选定的所述测量点相关的下述几何参数并利用下述公式计算出液体的表面张力：

Description

一种基于轴对称液滴轮廓曲线的表面张力测量方法

技术领域

本发明属于物性测量技术领域，涉及一种基于轴对称液滴轮廓曲线的表面张力测量方法。

背景技术

表面张力是流体力学中重要的热物理性质之一，对流体界面传热、传质以及微缩通道的流动、传热均有重要影响，从而也成为相关研究的重点。而表面张力测量可以为人们提供气液、液液之间相互作用的相关信息。通过这些信息，可以推断出材料的粘附、浸润、生物相容、润滑、吸附等各种重要特性，从而为相关的科学技术发展提供重要支持。

测量方法主要有最大气泡法、最大拉力法、毛细管法、滴重法、滴外形法等。其中滴外形法需要的测量样品少，精度较高，使用温度范围广，得到广泛应用。但是滴外形法是对液滴轮廓上的每个点进行拟合求解，涉及到微分方程和最优化求解，求解过程复杂。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题而提供一种基于轴对称液滴轮廓曲线的表面张力测量方法，其需要的样品少，计算过程简单，方便快捷。

本发明通过以下的技术方案实现。一种基于轴对称液滴轮廓曲线的表面张力测量方法，包括如下步骤：

拍摄悬挂的液滴图像，提取液滴轮廓曲线；

在所述液滴轮廓曲线上选定一个测量点；

测量出所述液滴轮廓曲线上与选定的所述测量点相关的下述几何参数并利用下述公式计算出液体的表面张力：

式中σ为液体的表面张力，Δρ为液体与气氛的密度差，g为当地的重力加速度，P为过所述测量点的水平面截取所述液滴后的截面处方向向下的压力，R为过所述测量点的水平面截取所述液滴后形成圆面的半径，θ为所述测量点在所述液滴上的切线与水平面的倾斜角，V为过所述测量点的水平面截取所述液滴后截面下部的所述液滴的体积。

本发明具有以下技术优势：

1.通过对悬滴表面上的一点的几何参数测量和对其相关的液体体积的测量，能够较为简单地得到表面张力数值，不需要复杂的计算，节省计算时间。

2.对于表面张力不均匀的情况，也能够简单地得到液体上任一点的表面张力。

优选地，当所述液滴的上端面为平面时，所述压力P通过公式P＝ΔρgH得到，其中H为所述截面距离所述液滴的上端面的高度。

可以是，还包括如下步骤：

将所述图像在高度方向上按像素分层，每层的高度仅为一个像素；

所述体积V通过公式

进行计算，其中h为图像每个像素的真实高度，i为所计算的像素层，i＝0为测量点所在的像素层，i＝N为液滴轮廓曲线顶点的像素层，r为第i像素层上的液滴轮廓曲线的半径。

附图说明

图1轴对称悬滴轮廓曲线参数图。

附图标记：

1 液滴轮廓曲线，

2 辅助平台，

3 标尺，

4 测量点，

5 用于计算液滴体积的像素层。

具体实施方式

以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图及下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

本发明一具体实施方式中，采用图像采集设备拍摄液滴悬挂于水平放置的辅助平台表面下的图片，对图片进行处理提取液滴轮廓曲线。但是作为本发明，不一定需要辅助平台，实际生活中形成悬滴上面的固体面可以是尖端的，不规则的，或者孔口状的，比如说针管，因而只要获得拍摄悬滴图像即可。

在液滴轮廓曲线上选定一个测量点；测量出液滴轮廓曲线上与选定测量点相关的几何参数。测量出所述液滴轮廓曲线上与选定的所述测量点相关的下述几何参数并利用下述公式计算出液体的表面张力：

式中σ为液体的表面张力，Δρ为液体与气氛的密度差，可通过其他方式测量得到，g为当地的重力加速度，P为该点截面处方向向下的压力，R为过所述测量点的水平面截取所述液滴后形成圆面的半径，θ为所述测量点在所述液滴上的切线与水平面的倾斜角，V为过所述测量点的水平面截取所述液滴后截面下部的所述液滴的体积。

下面结合图1说明本发明提出的具体工艺的实施细节。

首先通过图像采集设备拍摄悬挂在辅助平台2上的悬滴及辅助平台图像。再对采集的图片进行处理获取液滴轮廓曲线1及辅助平台2的最外层边界轮廓线，图像采集和处理的方法是图像处理的一般方法，已非常成熟，接触角测量仪类的产品中已得到应用。

通过图像采集和图片处理的过程后，可获取液滴轮廓曲线1及辅助平台的最外层边界轮廓线，待测液滴轮廓曲线如图1所示，图中包括图片的标尺3，同时具有完整的液滴轮廓曲线1和辅助平台2的下表面。本实施例中平台的下表面为水平的。

获取液滴轮廓曲线图片后，测量出相关几何参数的值，如图1，测量参数前需设置测量点4。测量点与辅助平台的垂直距离不为零，即不接触，且不为悬滴最下端顶点。

设置测量点后，可通过下述方式获取液滴轮廓曲线各参数的真实值。具体而言，过测量点4作水平直线与液滴轮廓曲线相交于另外一点。测量的液滴轮廓曲线上与测量点相关的主要几何参数包括液滴轮廓曲线顶点到测量点的竖直距离H、液滴轮廓曲线在顶点处的曲率半径R、液滴轮廓曲线与过测量点的水平线的两交点之间的距离2R以及液滴轮廓曲线在测量点处的倾斜角θ这几个简单几何参数。即、测量出该交点到测量点4的水平距离2R、测量过测量点4到辅助平台2下表面的垂直距离H、过测量点4的液滴轮廓曲线的切线与水平线之间的夹角θ，液滴轮廓曲线图片标尺的长度L。将测量的长度量(2R,H)除以图片中测量得到的标尺长度L并乘以标尺的实际真实长度xmm即可获取液滴轮廓曲线各参数的真实值。

对于测量点的截面处的压力值，有多种方法可以计算，例如，在该实施例中，辅助平台是平整的水平的，可通过公式P＝ΔρgH得到，式中Δρ为液体与气氛的密度差，可通过其他方式测量或查询得到，g为当地的重力加速度，H为液体截面距离上方辅助平台下底面的高度。

另外有多种方法可以计算液体体积V，所指的液体体积是从过测量点4的水平截面到液滴轮廓曲线顶点之间所包含的液体体积，例如可通过下述方式根据液滴轮廓曲线数据计算得到。计算液体体积时可将悬滴轮廓图像在高度方向上按像素分层，每层的高度仅为一个像素。取其中的任意像素层5进行考虑，则像素层5的体积为πr²h，其中r为像素层真实长度的一半，h为一个像素的真实高度。将测量点4所在水平截面以下的悬滴所有的像素层的体积加和则可得到从测量点平面到液滴轮廓曲线顶点之间的液体体积V。

更详细而言，从测量点到液滴轮廓曲线顶点之间的液滴体积为从测量点水平面到液滴轮廓曲线顶点之间所包含的液体体积，可以通过公式

进行计算，其中V为所求液体体积，h为图像每个像素的真实高度，i为所计算的像素层，i＝0为测量点所在的像素层，i＝N为液滴轮廓曲线顶点的像素层，r为第i像素层上的液滴轮廓曲线的半径。由此，该实施例可以通过测量轴对称悬滴上一点的几何参数以及该点水平截面以下的液滴体积来实现对液体表面张力的测量。

为验证所提出的测量方法的正确性，本实施例采用本发明的方法对纯水的表面张力进行了测量计算。通过工业相机对20℃、25℃、30℃的纯水悬滴进行了图像采集，提取到各个温度下纯水悬滴的轮廓曲线，测量得到相关的几何参数，代入本发明的计算方法中得到了20℃、25℃、30℃的纯水悬滴表面张力计算值为71.82mN/m、71.24mN/m、70.56mN/m，由文献查询得到纯水的标准值分别为72.75mN/m、72mN/m、71.18mN/m，测量偏差都小于2％，由此可见，通过本发明的方法所计算的液体的表面张力是正确的。

在不脱离本发明的基本特征的宗旨下，本发明可体现为多种形式，因此本发明中的实施形态是用于说明而非限制，由于本发明的范围由权利要求限定而非由说明书限定，而且落在权利要求界定的范围，或其界定的范围的等价范围内的所有变化都应理解为包括在权利要求书中。

Claims (3)

1.一种基于轴对称液滴轮廓曲线的表面张力测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

拍摄悬挂的液滴图像，提取液滴轮廓曲线；

在所述液滴轮廓曲线上选定一个测量点；

测量出所述液滴轮廓曲线上与选定的所述测量点相关的下述几何参数并利用下述公式计算出液体的表面张力：

式中σ为液体的表面张力，Δρ为液体与气氛的密度差，g为当地的重力加速度，P为过所述测量点的水平面截取所述液滴后的截面处方向向下的压力，R为过所述测量点的水平面截取所述液滴后形成圆面的半径，θ为所述测量点在所述液滴上的切线与水平面的倾斜角，V为过所述测量点的水平面截取所述液滴后截面下部的所述液滴的体积。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

当所述液滴的上端面为平面时，所述压力P通过公式P＝ΔρgH得到，其中H为所述截面距离所述液滴的上端面的高度。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，

还包括如下步骤：

将所述图像在高度方向上按像素分层，每层的高度仅为一个像素；

所述体积V通过公式

进行计算，其中h为图像每个像素的真实高度，i为所计算的像素层，i＝0为测量点所在的像素层，i＝N为液滴轮廓曲线顶点的像素层，r为第i像素层上的液滴轮廓曲线的半径。

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