CN203672751U - 旋转滴轮廓拟合分析界面张力和接触角的测试装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种旋转滴轮廓拟合分析界面张力和接触角的测试装置，可调整高度的仪器支撑脚安装于机架下端，电气控制箱安装于机架下方，电气控制箱连接有光源亮度调整钮，机架上方一端固定有具有蜗轮蜗杆结构的主动旋转光学调整平台，另一端固定有具有轴承的从动机构，具有蜗轮蜗杆结构的主动旋转光学调整平台和具有轴承的从动机构间设置有传动支架，具有轴承的从动机构上内侧于传动支架上一端固定有具有电机控制的X向光学调整平台，传动支架上的另一端设置有旋转腔体，电气控制箱连接有控制箱接口，高速电机与旋转轴通过联轴器直接联结；本实用新型操作方便、控制准确，可以为化工、材料、电子、石油等行业进行相关分析提供一个更为有效的测试工具。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种界面化学分析仪器，具体为旋转滴轮廓拟合分析界面张力和接触角的测试装置。
背景技术
作为一种用于形成旋转液滴并分析界面张力值的测试装置，旋转滴界面张力仪的相应的技术已经发展到相当高的水平，旋转滴界面张力仪是一种复杂的综合机电结构，包括了高速离心机械结构、高速电机控制、显微成像系统及其控制结构、温度控制系统等。从现成的专利、文献和实际商用的仪器来看，无论从技术水平还是实际应用的方便性、精确性来看，或因其技术点单一而无法协调整机运行或因使用技术落后而无法满足高性能的要求或因其技术设计缺陷无法应用于实际复杂的测试应用，均存在明显不足。
在美国专利：US 4250741 《PRECISION SPINNING DROP INTERFACIAL TENSIOMETER》，L. Edward Scriven等人提出了一个高精度旋转滴界面张力仪。其创新点包括设计了一个注入加缩空气的轴承系统以降低轴承转动而导致的温升以及提高整个转轴系统的转速；转轴通过一个传动轴与一个皮带轮电机系统联接，实现高速离心形成旋转液滴的目的；一个内径0.19cm、外径0.65cm的样品一端密封固定在转轴传动杆上，另一端采用硅像胶密封；样品管外侧提供一个腔体用以通过温控空气，控制样品管的温度，但未提及温度读取方式；转速读取采用简单的光栅传感器（Threshold Coupler：Model H13B2, Photon-Coupled Interruptor Module）,并使用一个空槽读取转速；通过皮速3：1比例，实现低转速电机达到高转速目的；电机采用空载最高转速5000RPM的E586电机，扭矩力 20 oz-in；显微系统采用了显微镜（Model 1 lOA, Gaertner Scientific Corp., Chicago, Ill.)，精度0.0001cm( 约1um精度)。计算方法采用经典的Vonnegut公式。从如上描述我们可以得出结论为，由于采用皮带轮转换且采用简单的转速控制方式，无论在能效、控制精度以及寿命上，均达不到长期使用的要求；由于采用显微系统，在测试时，人为因素影响较大；由于样品管为固定的方式，清洗工作非常困难，非常容易受二次污染影响，测值精度很低；样品管密封方式为简单的盖子密封结构，很容易漏气；等等。
1995年，中国专利：ZL93246109.3《自动旋轴界面张力测定仪》提出了一个简单的旋转滴界面张力仪的结构，并创新性提出了一种采用电脑捕获旋转滴图像并进而计算的构想，但未提及详细的计算办法以及机械联结关系结构图，其目的仅仅是实现替代人眼观测的不方便性有准确度差的问题。1996年，中国专利：ZL95216525.2《旋转液滴法液体界面张力测定仪》对旋转滴界面张力仪的机械结构进行了进一步的明确，提出了一个用于控制显微系统的上下和左右移动，以观察形成于不同位置的液滴形状；同时，提出了一个基于皮带轮转换的电机转动机构，与如上提及的美国专利US 4250741和商业化的仪器比较类似，无任何新颖创新性；在算法上，其同样采用了简单的Vonnegut公式。2004年，中国专利ZL200420092449.7《流体表界面张力测量用离心管》中提出了一套使用在旋转滴界面张力仪中的样品管的结构。在中国专利ZL200920213958.3《旋转滴界面张力仪用石英玻璃样品管及其固定装置》中，本专利的同一发明人-上海梭伦信息科技有限公司对这套样品管的缺陷进行了评述，并提出了一套更为有效、方便使用的样品管。在中国专利ZL201010149101.7《一种界面张力测试装置》，华东理工大学同样又提出了一个类似的样品管结构，与ZL200420092449.7近似，实际使用效果并不会理想。
综合而言，现有的文献和专利、商业化的仪器均停留在一个较低的水平，与现成的科学水平的发展不相适应，这些不足包括：（1）在电机传动系统结构方面，仍以采用皮带传动机构为主；（2）温控模式通常以控制加热源而不是控制样品所在环境的温度为主；（3）样品管通常当作了主动轴而没有任何保护，从而导致样品管易爆裂；且样品管通常仅是一端开口，不易清洗，测值误差大；样品管尺寸单一（如美国专利），无法满足复杂的测试要求；（4）通常没有或只有最简单的液滴水平控制结构，无法实现高精度控制液滴水平，进而实现减少液滴移动的目的；（5）没有形成一个整体的测试装置，协调完成旋转滴条件的界面张力测值；等等。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题及不足，本实用新型提供了一种旋转滴轮廓拟合分析界面张力和接触角的测试装置，提高操作方便性、控制准确性方面，起到了非常明显的作用，可以为化工、材料、电子、石油等行业进行相关分析提供一个更为有效的测试工具。
本实用新型为了实现上述目的，采用了以下具体实施方案：
旋转滴轮廓拟合分析界面张力和接触角的测试装置，包括：机架，高速旋转腔体，高速电机，联轴器，轴承支架，高速轴承，旋转轴，自密封样品管，轴承支架安装底板，带加热棒的散热片，观察窗，摄像机，镜头，具有微分头控制的一维水平调整架，具有微分头控制的Z向光学调整平台，具有步进电机或手动控制的Y向光学调整平台，具有电机控制的X向光学调整平台，具有轴承的从动机构，旋转腔体，防护盖，具有蜗轮蜗杆结构的主动旋转光学调整平台，-传动支架结构，电气控制箱，可调整高度的仪器支撑脚；
高速电机2与旋转轴6通过联轴器3直接联结，样品管7置于旋转轴中，样品管两端开口且具有密封塞子，形成自密封结构，温度传感器安装到样品管所在位置的空气中，旋转轴是中空两侧有缺口的结构设计，以搅动空气，设计了半导体制冷片安装到腔体上侧，用于制冷，实现降低温升的目的；
可调整高度的仪器支撑脚26安装于机架（图中未标识）下端，电气控制箱24安装于机架下方，电气控制箱24连接有光源亮度调整钮25，机架上方一端固定有具有蜗轮蜗杆结构的主动旋转光学调整平台22，另一端固定有具有轴承的从动机构19，具有蜗轮蜗杆结构的主动旋转光学调整平台22和具有轴承的从动机构19间设置有传动支架23，具有轴承的从动机构19上内侧于传动支架23上一端固定有具有电机控制的X向光学调整平台18，传动支架23上的另一端设置有旋转腔体，电气控制箱24连接有控制箱接口1。
旋转腔体20上设置一防护盖21，旋转腔体20下端为轴承支架安装底板9，高速电机2与旋转轴6通过联轴器3直接联结；高速电机2安装到电机支架上（未图示），旋转轴6两端分别安装于两个高速轴承5内，高速轴承5安装于两个轴承支架4上，轴承支架4安装于旋转腔体20上的轴承支架安装底板9上，与高速电机2连接的供电及编码器系统（未图示）连接到电气控制箱24（未标识）后通过RS232或USB2.0接口与计算机连接，通过编写软件，控制电机和读取电机的转速值。
样品管7通过两端固定密封塞自密封后，固定在一端有顶针结构另一端有螺纹结构的旋转传动轴6中，样品管7通过压帽8固定在旋转轴6内，实现样品管可拔插的结构设计。
旋转腔体20的靠近摄像机12侧提供一个石英玻璃制成的观察窗11，另一侧提供一个具有柔光效果的LED背景光源（未图示），以利于拍摄旋转液滴的图像。
旋转腔体20的内部底面装有一个带有加热棒的散热片10、腔体上面板装有一个带散热风扇（向往散热）的半导体制冷片(未标识)，温度传感器（未标识）装在旋转腔体的内部空气中（位于观察窗户下侧方位置），如需要实现低于室温或消除空气搅动或轴承温升而导致的温升，通过给半导体制冷片供电，让制冷片给腔体内降温，通过旋转轴6搅动旋转腔体的内部的空气，使温度降低下来；与此同时，通过计算机的USB2.0或RS232通讯接口控制一个连接到带有加热棒的散热片10的温度控制系统（未图示），实现将温度控制到目标值，如制冷最大制冷量可以使得腔体的温度达到-5℃，而如果目标温度是20℃，那么只要加热功率高于制冷功能，加热系统即可通过加热，让同时制冷和加热的系统达到20℃，当用户仅需要加热高于室温以上5℃时，制冷系统可关闭使用。
设计一套用于拍摄旋转液滴图像的成像系统及其控制结构，具有电机控制的X向光学调整平台18上连接具有步进电机或手动控制的Y向光学调整平台17，具有步进电机或手动控制的Y向光学调整平台17上方为具有微分头控制的Z向光学调整平台16，具有微分头控制的Z向光学调整平台16上方为具有微分头控制的一维水平调整架15，具有微分头控制的一维水平调整架15上连接摄像机12，摄像机12上设置有镜头13。
镜头13倍率为0.7-4.5X，数字摄像机12的速度达到25帧/秒以上，优选80帧/秒以上，具有微分头控制的一维水平调整架上15安装到具有微分头控制的Z向光学调整平台16上，并进而与一个X（17）Y（18）两维移动的相联结；如上结构通过垫块（未图示）联结合，固定到旋转滴界面张力测试装置的传动支架结构23底材板上，从而实现调整镜头相对于样品管水平、成像位置、寻找液滴、拍摄液滴图像的目的。
设计一套用于控制液滴水平的机械结构，将固定有旋转腔体20和成像系统及其控制系统（如上8所述）的传动支架结构底板一侧与具有蜗轮蜗杆结构的主动旋转光学调整平台22相联结，另一侧与具有轴承的从动机构19相联结，并将如上机构固定到一个铝合金制成的安装基座上（未图示），通过转动旋转光学调整平台22上的旋转控制钮（手动或步进电机控制），从而有效地控制液滴水平，使得测试过程长时间、连续测值成为可能。
设计一套装载被测试样（液-气、液-液或液-液-固体系）的样品管结构，包括：（1）由石英玻璃制成的两端开口样品管，尺寸包括内2mm、4mm、6mm三种规格；（2）两端密封结构；（3）在转轴内装有弹簧的顶针结构；（4）压帽，从而实现自密封目的。同时，为测试高于100℃以上样品实现可能。（在密封情况下，加热会导致样品管内液体的压力增大，从而降低沸点）。
编制一个软件，通过软件自动计算得出界面张力和接触角值；同时，软件中通过RS232通讯协议或USB2.0通讯协议，控制成像系统中的运动电机、高速直流电机以及摄像系统的图像捕捉，从而实现界面张力和接触角测值的全自动化。
综合而言，通过如上测试装置和测试方法的设计，没有以往所有算法中提及的假设椭圆或球的假设，不是简单的几何运算而是真正结合液滴的形状轮廓拟合求解，从而将现有的旋转液滴时的测量技术提高到了一个新的水平，也全面提升了旋转滴界面张力仪的整机优化水平和全自动化程度，对于石油石化、化工、新材料、涂料、聚合物分析、生物等行业的应用，具有非常高的推广价值。
附图说明
图1：本专利所述的旋转滴界面张力和接触角测试装置俯视图；
图1中：1-控制箱接口，连接到计算机；2-高速电机；3-联轴器；4-轴承支架2个；5-高速轴承2个；6-旋转轴；7-自密封样品管；8-压帽；9-轴承支架安装底板；10-带加热棒的散热片；11-观察窗；12-摄像机；13-镜头。
图2：本专利所述的旋转滴界面张力和接触角测试装置正视图；
图2中：15-具有微分头控制的一维水平调整架；16-具有微分头控制的Z向光学调整平台；17-具有步进电机或手动控制的Y向光学调整平台；18-具有电机控制的X向光学调整平台；19-具有轴承的从动机构；20-旋转腔体；21-防护盖；22-具有蜗轮蜗杆结构的主动旋转光学调整平台；23-传动支架结构；24-电气控制箱；25-光源亮度调整钮；26-可调整高度的仪器支撑脚。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本实用新型进一步进行描述。
为了实现在取消皮带轮转换的条件下达到15,000RPM转速、高精度控制样品温度并有效消除轴承和空气搅动带来的温升、样品管自密封且易清洗、方便而精确的获取旋转液滴的图像、快捷而精准地测试旋转液滴的界面张力和接触角值，本专利构建了如下的结构系统，提出了利用旋转液滴轮廓分析技术测试得到界面张力和接触角值的一套装置。
如图1、图2所示实施例，旋转滴轮廓拟合分析界面张力和接触角的测试装置，包括：机架，高速旋转腔体，高速电机，联轴器，轴承支架，高速轴承，旋转轴，自密封样品管，轴承支架安装底板，带加热棒的散热片，观察窗，摄像机，镜头，具有微分头控制的一维水平调整架，具有微分头控制的Z向光学调整平台，具有步进电机或手动控制的Y向光学调整平台，具有电机控制的X向光学调整平台，具有轴承的从动机构，旋转腔体，防护盖，具有蜗轮蜗杆结构的主动旋转光学调整平台，-传动支架结构，电气控制箱，可调整高度的仪器支撑脚；
高速电机2与旋转轴6通过联轴器3直接联结，样品管7置于旋转轴中，样品管两端开口且具有密封塞子，形成自密封结构，温度传感器安装到样品管所在位置的空气中，旋转轴是中空两侧有缺口的结构设计，以搅动空气，设计了半导体制冷片安装到腔体上侧，用于制冷，实现降低温升的目的；
可调整高度的仪器支撑脚26安装于机架（图中未标识）下端，电气控制箱24安装于机架下方，电气控制箱24连接有光源亮度调整钮25，机架上方一端固定有具有蜗轮蜗杆结构的主动旋转光学调整平台22，另一端固定有具有轴承的从动机构19，具有蜗轮蜗杆结构的主动旋转光学调整平台22和具有轴承的从动机构19间设置有传动支架23，具有轴承的从动机构19上内侧于传动支架23上一端固定有具有电机控制的X向光学调整平台18，传动支架23上的另一端设置有旋转腔体，电气控制箱24连接有控制箱接口1。
旋转腔体20上设置一防护盖21，旋转腔体20下端为轴承支架安装底板9，高速电机2与旋转轴6通过联轴器3直接联结；高速电机2安装到电机支架上（未图示），旋转轴6两端分别安装于两个高速轴承5内，高速轴承5安装于两个轴承支架4上，轴承支架4安装于旋转腔体20上的轴承支架安装底板9上，与高速电机2连接的供电及编码器系统（未图示）连接到电气控制箱24（未标识）后通过RS232或USB2.0接口与计算机连接，通过编写软件，控制电机和读取电机的转速值。
样品管7通过两端固定密封塞自密封后，固定在一端有顶针结构另一端有螺纹结构的旋转传动轴6中，样品管7通过压帽8固定在旋转轴6内，实现样品管可拔插的结构设计。
旋转腔体20的靠近摄像机12侧提供一个石英玻璃制成的观察窗11，另一侧提供一个具有柔光效果的LED背景光源（未图示），以利于拍摄旋转液滴的图像。
旋转腔体20的内部底面装有一个带有加热棒的散热片10、腔体上面板装有一个带散热风扇（向往散热）的半导体制冷片(未标识)，温度传感器（未标识）装在旋转腔体的内部空气中（位于观察窗户下侧方位置），如需要实现低于室温或消除空气搅动或轴承温升而导致的温升，通过给半导体制冷片供电，让制冷片给腔体内降温，通过旋转轴6搅动旋转腔体的内部的空气，使温度降低下来；与此同时，通过计算机的USB2.0或RS232通讯接口控制一个连接到带有加热棒的散热片10的温度控制系统（未图示），实现将温度控制到目标值，如制冷最大制冷量可以使得腔体的温度达到-5℃，而如果目标温度是20℃，那么只要加热功率高于制冷功能，加热系统即可通过加热，让同时制冷和加热的系统达到20℃，当用户仅需要加热高于室温以上5℃时，制冷系统可关闭使用。
设计一套用于拍摄旋转液滴图像的成像系统及其控制结构，具有电机控制的X向光学调整平台18上连接具有步进电机或手动控制的Y向光学调整平台17，具有步进电机或手动控制的Y向光学调整平台17上方为具有微分头控制的Z向光学调整平台16，具有微分头控制的Z向光学调整平台16上方为具有微分头控制的一维水平调整架15，具有微分头控制的一维水平调整架15上连接摄像机12，摄像机12上设置有镜头13。
镜头13倍率为0.7-4.5X，数字摄像机12的速度达到25帧/秒以上，优选80帧/秒以上，具有微分头控制的一维水平调整架上15安装到具有微分头控制的Z向光学调整平台16上，并进而与一个X（17）Y（18）两维移动的相联结；如上结构通过垫块（未图示）联结合，固定到旋转滴界面张力测试装置的传动支架结构23底材板上，从而实现调整镜头相对于样品管水平、成像位置、寻找液滴、拍摄液滴图像的目的。
设计一套用于控制液滴水平的机械结构，将固定有旋转腔体20和成像系统及其控制系统（如上8所述）的传动支架结构23底板一侧与具有蜗轮蜗杆结构的主动旋转光学调整平台22相联结，另一侧与具有轴承的从动机构19相联结，并将如上机构固定到一个铝合金制成的安装基座上（未图示），通过转动旋转光学调整平台22上的旋转控制钮（手动或步进电机控制），从而有效地控制液滴水平，使得测试过程长时间、连续测值成为可能。
设计一套装载被测试样（液-气、液-液或液-液-固体系）的样品管结构，包括：（1）由石英玻璃制成的两端开口样品管，尺寸包括内2mm、4mm、6mm三种规格；（2）两端密封结构；（3）在转轴内装有弹簧的顶针结构；（4）压帽，从而实现自密封目的。同时，为测试高于100℃以上样品实现可能。（在密封情况下，加热会导致样品管内液体的压力增大，从而降低沸点）。
编制一个软件，通过软件自动计算得出界面张力和接触角值；同时，软件中通过RS232通讯协议或USB2.0通讯协议，控制成像系统中的运动电机、高速直流电机以及摄像系统的图像捕捉，从而实现界面张力和接触角测值的全自动化。
本实用新型全面提升了旋转滴界面张力仪的整机优化水平和全自动化程度，对于石油石化、化工、新材料、涂料、聚合物分析、生物等行业的应用，具有非常高的推广价值。
Claims (8)
1.旋转滴轮廓拟合分析界面张力和接触角的测试装置，包括：机架，高速旋转腔体，高速电机，联轴器，轴承支架，高速轴承，旋转轴，自密封样品管，轴承支架安装底板，带加热棒的散热片，观察窗，摄像机，镜头，具有微分头控制的一维水平调整架，具有微分头控制的Z向光学调整平台，具有步进电机或手动控制的Y向光学调整平台，具有电机控制的X向光学调整平台，具有轴承的从动机构，旋转腔体，防护盖，具有蜗轮蜗杆结构的主动旋转光学调整平台，传动支架结构，电气控制箱，可调整高度的仪器支撑脚；其特征在于，可调整高度的仪器支撑脚安装于机架下端，电气控制箱安装于机架下方，电气控制箱连接有光源亮度调整钮，机架上方一端固定有具有蜗轮蜗杆结构的主动旋转光学调整平台，另一端固定有具有轴承的从动机构，具有蜗轮蜗杆结构的主动旋转光学调整平台和具有轴承的从动机构间设置有传动支架，具有轴承的从动机构上内侧于传动支架上一端固定有具有电机控制的X向光学调整平台，传动支架上的另一端设置有旋转腔体，电气控制箱连接有控制箱接口。
2.根据权利要求1所述的旋转滴轮廓拟合分析界面张力和接触角的测试装置，其特征在于，旋转腔体上设置一防护盖，旋转腔体下端为轴承支架安装底板，高速电机与旋转轴通过联轴器直接联结，高速电机安装到电机支架上，旋转轴两端分别安装于两个高速轴承内，高速轴承安装于两个轴承支架上，轴承支架安装于旋转腔体上的轴承支架安装底板上，与高速电机连接的供电及编码器系统连接到电气控制箱后通过RS232或USB2.0接口与计算机连接。
3.根据权利要求1所述的旋转滴轮廓拟合分析界面张力和接触角的测试装置，其特征在于，样品管固定在一端有顶针结构另一端有螺纹结构的旋转传动轴中，样品管通过压帽固定在旋转轴内。
4.根据权利要求1所述的旋转滴轮廓拟合分析界面张力和接触角的测试装置，其特征在于，旋转腔体的靠近摄像机侧提供一个石英玻璃制成的观察窗，另一侧提供一个具有柔光效果的LED背景光源。
5.根据权利要求1所述的旋转滴轮廓拟合分析界面张力和接触角的测试装置，其特征在于，旋转腔体的内部底面装有一个带有加热棒的散热片、腔体上面板装有一个带散热风扇的半导体制冷片，温度传感器装在旋转腔体的内部空气中，位于观察窗户下侧方位置。
6.根据权利要求1所述的旋转滴轮廓拟合分析界面张力和接触角的测试装置，其特征在于，具有电机控制的X向光学调整平台上连接具有步进电机或手动控制的Y向光学调整平台，具有步进电机或手动控制的Y向光学调整平台上方为具有微分头控制的Z向光学调整平台，具有微分头控制的Z向光学调整平台上方为具有微分头控制的一维水平调整架，具有微分头控制的一维水平调整架上连接摄像机，摄像机上设置有镜头。
7.根据权利要求6所述的旋转滴轮廓拟合分析界面张力和接触角的测试装置，其特征在于，所述镜头倍率为0.7-4.5X。
8.根据权利要求1所述的旋转滴轮廓拟合分析界面张力和接触角的测试装置，其特征在于，传动支架结构底板一侧与具有蜗轮蜗杆结构的主动旋转光学调整平台相联结，另一侧与具有轴承的从动机构相联结。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201320792154.XU CN203672751U (zh) | 2013-12-05 | 2013-12-05 | 旋转滴轮廓拟合分析界面张力和接触角的测试装置 |
Applications Claiming Priority (1)
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ID=50969033
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104568672A (zh) * | 2014-12-04 | 2015-04-29 | 上海梭伦信息科技有限公司 | 一种超高压、高温旋转滴界面张力和接触角装置和方法 |
| CN106053296A (zh) * | 2016-05-19 | 2016-10-26 | 江苏大学 | 一种用于测量温度梯度作用下固液面接触角的实验平台 |
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2013
- 2013-12-05 CN CN201320792154.XU patent/CN203672751U/zh not_active Expired - Lifetime
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| CN106053296A (zh) * | 2016-05-19 | 2016-10-26 | 江苏大学 | 一种用于测量温度梯度作用下固液面接触角的实验平台 |
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