DE10055027A1 - Method for measuring the surface elasticity of a fluid in which a test drop is placed in a gas flow and the drop size varied with the surface properties of the drop changed by aerosols contained in a surrounding gas flow - Google Patents

Method for measuring the surface elasticity of a fluid in which a test drop is placed in a gas flow and the drop size varied with the surface properties of the drop changed by aerosols contained in a surrounding gas flow

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DE10055027A1 DE2000155027 DE10055027A DE10055027A1 DE 10055027 A1 DE10055027 A1 DE 10055027A1 DE 2000155027 DE2000155027 DE 2000155027 DE 10055027 A DE10055027 A DE 10055027A DE 10055027 A1 DE10055027 A1 DE 10055027A1
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Abstract

Method for measuring the surface elasticity of a fluid in which a test drop is placed in a gas flow and the size of the drop surface varied. The method is based on use of the Laplace equations from which the pressure difference between inside and outside of a surface is inversely proportional to the main curvature radius of the interface surface segment. The viscosity is then determined by iterative calculation of the force balance between gravity and the pressure forming surface tension that holds the drop together using digital image analysis. The invention also relates to a device for measuring relative alterations in the surface area of a drop using an optical arrangement comprising a laser light source and a laser light sensitive photo-cell. Within the test chamber of the device an aerosol containing gaseous carrier medium comes into contact with a drop of the test solution. alterations of the drop surface properties are measured, which can then be related to absorption and diffusion of the aerosol compounds into the drop.

Description

Die Erfindung betrifft ein online (in- situ)-Verfahren sowie eine geeignete Vorrichtung zur opto-mechanischen Oberflächenspannungsmessung sowie der Erfassung fluiddynamischer Eigen­ schaften in gasförmigen Medien.The invention relates to an online (in- situ) method and a suitable one Device for opto-mechanical Surface tension measurement as well the detection of fluid dynamic properties in gaseous media.

Derartige Erfordernisse stellen sich in verschiedenen wissenschaftlich-tech­ nischen Bereichen. So kann bei der Herstellung hochreiner Beatmungs­ gase bis heute nicht gewährleistet werden, dass feinste Ölpartikel ein­ deutig und vor allem rechtzeitig noch im Produktionsprozess detektiert wer­ den. Ein weiteres Problemfeld stellt beispielsweise die Bestimmung und Analyse der Inhaltsstoffe menschlicher Ausatemluft dar, auch hier ist bis heute kein geeignetes Verfahren zur online- Bestimmung der oberflächenrheolo­ gischen und viskoelastischen Ei­ genschaften der fluiden Inhaltsstoffe bekannt.Such requirements arise in various scientific-tech areas. So at Production of high-purity ventilation gases have not yet been guaranteed be that finest oil particles clear and above all in time who is detected in the production process the. Another problem area for example the determination and Analysis of human ingredients Exhaled air, is also here until today not a suitable method for online Determination of surface rheolo and viscoelastic egg properties of the fluid ingredients known.

Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe, indem sie online (in-situ) in einem Prozessstrom einen Tropfen einer Testlösung mit definierter Ober­ flächenspannung bildet. Während in der Messkammer der Messtropfen von den fluiden Inhaltsstoffen des Träger­ mediums umströmt wird, kommt es zu Adsorptions- und Diffusionsvorgängen und in der Folge zu Oberflächen- bzw. Grenzflächenverschiebungen. Diese werden unter Verwendung einer Anregungseinrichtung und verschie­ dener optischer Komponenten ge­ messen, über eine Rechnereinheit ausgewertet und dargestellt und können als Steuerungsimpulse einge­ setzt werden, um in das Handling des Gesamtvorgangs einzugreifen.The present invention solves this Task by being online (in-situ) in a drop in a process stream a test solution with a defined upper surface tension forms. While in the measuring chamber of the measuring drops of the fluid ingredients of the carrier medium flows around, it happens Adsorption and diffusion processes and subsequently to surface or Interface shifts. This are made using a Excitation device and various their optical components measure, via a computer unit evaluated and presented and can be used as control impulses to be placed in the handling of the Intervene.

Fig. 1 zeigt eine Prinzipskizze des gesamten Verfahrens. Fig. 1 shows a schematic diagram of the entire process.

Fig. 2 zeigt eine Prinzipskizze der Sensorik. Fig. 2 shows a schematic diagram of the sensor system.

Fig. 3 zeigt eine vergrösserte Darstel­ lung des gebildeten Messtrop­ fens innerhalb der Messkammer. Fig. 3 shows an enlarged representation of the formed drop formed within the measuring chamber.

Die Aufgabe wird gemäss Patent­ anspruch 1 gelöst, indem die Test­ lösung rechnergesteuert über eine Zuleitungskapillare (1) in eine Test­ lösungs-Kammer (2) geleitet wird, de­ ren Volumen mittels eines rechnergesteuerten Kolbens (3) vergrössert bzw. verkleinert werden kann. Infolge dieser definierten Druck­ schwankungen wird die Testlösung durch die Messkapillare (4) gedrückt und bildet am Kapillarrand definierte Messtropfen (5). Diese Messtropfen können rechnergesteuert vergrössert und verkleinert werden, auch kann durch eine sprunghafte Anregung ihr Abriss vom Kapillarrand provoziert werden. Nach Abriss vom Kapillarrand fallen die Messtropfen in den Auffang­ teil (11) der Messkammer (6), wobei sie zuvor, um Spritzen und damit unnötige Kontamination zu vermeiden, durch einen vorteilhaft konstruierten Trichter oder ein Filtervlies (10) fallen.The object is achieved according to patent claim 1 by the test solution being computer-controlled via a feed capillary ( 1 ) in a test solution chamber ( 2 ), whose volume can be increased or decreased by means of a computer-controlled piston ( 3 ). As a result of these defined pressure fluctuations, the test solution is pressed through the measuring capillary ( 4 ) and forms defined measuring drops ( 5 ) at the capillary rim. These measurement drops can be enlarged and reduced in a computer-controlled manner, and their jump from the capillary rim can also be provoked by an abrupt excitation. After tearing off the edge of the capillary, the measuring drops fall into the collecting part ( 11 ) of the measuring chamber ( 6 ), before falling through an advantageously designed funnel or filter fleece ( 10 ) in order to avoid splashing and thus unnecessary contamination.

Die Messkammer (6) ist mit einer Membran (7) verschlossen, durch welche die Messkapillare (4) zu Beginn des Messvorgangs einsticht. Die Messkammer verfügt über einen Gas- Einlassstutzen (8) sowie einen Gas- Auslassstutzen (9).The measuring chamber ( 6 ) is closed with a membrane ( 7 ) through which the measuring capillary ( 4 ) pierces at the start of the measuring process. The measuring chamber has a gas inlet connector ( 8 ) and a gas outlet connector ( 9 ).

Das Trägermedium wird über Tem­ peratur-Sensoren (12 + 20), einen Druck-Sensor (13), einen pH-Sensor (14), einen O2-Sensor (15), einen CO2- Sensor (16) und einen NO-Sensor (17) erfasst und über die gesamte Messstrecke durch eine temperierte Leitung (18) einer rechnergesteuerten Regeleinheit mit Zwei-Wege-Ventil (19) zugeführt. Diese Regeleinheit leitet eine definierte Menge des Trägermediums zunächst zur Bestimmung der fluiddynamischen Eigenschaften über den ebenfalls temperierten Hauptstrom (23) einer PDA-Einheit (21) und danach gegebenenfalls mittels einer Apparatur zum Beschleunigen oder Verlangsa­ men (22) mit definiertem flow und definierter Temperatur kontinuierlich oder diskontinuierlich der Messkammer (6) zu. Das für den Messvorgang nicht benötigte Volumen des Trägerme­ diums wird über den Nebenstrom (24) abgeleitet. Die gesamte vorgenannte Sensorik wird zentral in der Auswerte­ vorrichtung (A) zusammengeführt und fortlaufend ausgewertet.The carrier medium is temperature sensors ( 12 + 20 ), a pressure sensor ( 13 ), a pH sensor ( 14 ), an O2 sensor ( 15 ), a CO2 sensor ( 16 ) and an NO sensor ( 17 ) recorded and fed over the entire measuring section through a temperature-controlled line ( 18 ) to a computer-controlled control unit with a two-way valve ( 19 ). This control unit directs a defined amount of the carrier medium first to determine the fluid dynamic properties via the temperature-controlled main stream ( 23 ) of a PDA unit ( 21 ) and then, if necessary, continuously using an apparatus for accelerating or decelerating ( 22 ) with a defined flow and temperature or discontinuously to the measuring chamber ( 6 ). The volume of the carrier medium that is not required for the measuring process is derived via the secondary flow ( 24 ). The entire aforementioned sensor system is brought together centrally in the evaluation device (A) and continuously evaluated.

Die Zuführung zur Messkammer erfolgt über den Einlassstutzen (8) zu dem Messtropfen. Während des Umströ­ mens des Messtropfens prallen die fluiden Inhaltsstoffe auf dessen Oberfläche. Es kommt zu Adsorptions- und Diffusionsvorgängen. Nach dem Umströmen des Messtropfens gelangt das Gas über den Auslassstutzen (9) in den Auffangteil (11), von wo das Trägermedium je nach Eigenschaften entweder gereinigt und in den Prozess rückgeführt oder unschädlich entsorgt wird.The supply to the measuring chamber takes place via the inlet connection ( 8 ) to the measuring drop. As the measuring drop flows around, the fluid constituents collide with its surface. Adsorption and diffusion processes occur. After flowing around the measuring drop, the gas passes through the outlet connection ( 9 ) into the collecting part ( 11 ), from where, depending on the properties, the carrier medium is either cleaned and returned to the process or disposed of in a harmless manner.

Der Kolben kann rechnergesteuert in Einzelschritten bewegt werden und auch unterschiedliche Stösselampli­ tuden erzeugen. Durch die definierte Bewegung des Kolbens (3) in die Testlösungskammer (2) wird deren Volumen verringert. Diese Volu­ menverringerung drückt die Testlösung in die Messkapillare (4). Auf diesem Wege wird ein Druck auf den Mess­ tropfen (5) ausgeübt, wodurch sich dessen Volumen vergrössert.The piston can be moved in computer-controlled steps and also generate different plunger amplitudes. The defined movement of the piston ( 3 ) into the test solution chamber ( 2 ) reduces its volume. This reduction in volume pushes the test solution into the measuring capillary ( 4 ). In this way, pressure is exerted on the measuring drop ( 5 ), which increases its volume.

Die so durch den Kolbenantrieb erzeugte Oszillation bzw. Grössen­ veränderung des Tropfens kann dann mit dem Messsystem (M) erfasst und die gemessene Tropfengrössenverän­ derung mit der Auswertungsvorrich­ tung (A) in einen Wert der Oberflächen­ elastizität der Testlösung umgerechnet werden.The so through the piston drive generated oscillation or sizes The drop can then be changed recorded with the measuring system (M) and the measured drop size change change with the evaluation device tion (A) into a value of the surfaces Converted elasticity of the test solution become.

Neben der periodischen Anregung ist der Antrieb auch in der Lage, über den Kolben (3) einen so starken und kurzen Druckimpuls zu erzeugen, dass es zu einer sprungförmigen Volumenänderung in der Testlösungskammer (2) kommt. Diese Volumenänderung überträgt sich, wie vorstehend beschrieben, auf den Tropfen (5) in der Messkammer (6). Durch diese Möglichkeit einer sprung­ haften Tropfenanregung ist es möglich, die tatsächliche Tropfengrösse exakter festzustellen.In addition to the periodic excitation, the drive is also able to generate such a strong and short pressure pulse via the piston ( 3 ) that there is a sudden change in volume in the test solution chamber ( 2 ). As described above, this change in volume is transferred to the drop ( 5 ) in the measuring chamber ( 6 ). This possibility of a sudden drop excitation makes it possible to determine the actual drop size more precisely.

Die Auswertungseinheit (A) zur Er­ mittlung der Messwerte und Ausgabe der Oberflächenelastizitätswerte kann auf herkömmliche Weise zusammen­ gestellt werden und besteht ins­ besondere aus einem Voltmeter, mit dem die von der Fotozelle abgegebene Fotospannung gemessen wird, einem Druckaufnehmer, mit dem der Trop­ feninnendruck ermittelt werden kann und einer Datenverarbeitungsanlage, die den Wert der Oberflächenelastizität ermittelt und anzeigt.The evaluation unit (A) for Er averaging of measured values and output the surface elasticity values can together in a conventional way be put and ins special from a voltmeter, with which is the one emitted by the photocell Photo tension is measured, one Pressure sensor with which the trop internal pressure can be determined and a data processing system, which the value of surface elasticity determined and displayed.

Mit dem durch Einsatz der erfindungs­ gemässen Vorrichtung ausgeführten Verfahren wird es möglich, eine Oszillation des Messtropfen stufenlos mit Frequenzen über 400 Hz hinaus zu erzeugen.With the use of the fiction executed according to the device It becomes possible to proceed Stepless oscillation of the measuring drop with frequencies beyond 400 Hz produce.

Claims (16)

1. Verfahren zur Messung der Ober­ flächenelastizität einer Flüssigkeit, bei welchem ein Tropfen in einem Gasstrom erzeugt wird, wobei die Grösse der Oberfläche des Trop­ fens verändert wird, dadurch ge­ kennzeichnet, dass, auf der Grundlage der Laplace Gleichung, wonach die Druckdifferenz zwischen Innen- und Aussenseite einer Grenzfläche umgekehrt pro­ portional zu den Hauptkrüm­ mungsradien der Grenzflächen­ segmente ist, durch eine iterative Berechnung des Kräftegleichge­ wichts zwischen der Gewichtskraft und der den Druck bildenden Oberflächenspannung (die den Tropfen zusammenhält) mittels di­ gitaler Bildanalyse direkt die Ober- und Grenzflächenspannungen so­ wie die Viskosität berechnet wer­ den.1. A method for measuring the surface elasticity of a liquid, in which a drop is generated in a gas stream, the size of the surface of the drop being changed, characterized in that, based on the Laplace equation, according to which the pressure difference between the inside - and the outside of an interface is inversely proportional to the main curvature radii of the interface segments, by means of an iterative calculation of the balance of forces between the weight and the surface tension forming the pressure (which holds the drop together) by means of digital image analysis directly the surface and interface tensions how the viscosity is calculated. 2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Grösse der Oberfläche des Tropfens periodisch verändert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächengrössen- Veränderung entsprechend ange­ regt wird.2. The method according to claim 1, being the size of the surface of the drop changed periodically is characterized by that the surface sizes Change accordingly is excited. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Grösse der Oberfläche des Tropfens sprunghaft verändert wird, wobei die Oberflächen­ grössenänderung so schnell er­ folgt, dass eine Relaxation der Tropfenoberflächenspannung in­ folge von Diffusionsprozessen vernachlässigbar ist.3. The method according to claim 1, characterized in that the Size of the surface of the Drop changed by leaps and bounds being, the surfaces size change as soon as he follows that a relaxation of the Drop surface tension in follow diffusion processes is negligible. 4. Verfahren nach einem der voran­ gegangenen Ansprüche, indem ein Tropfen im Gasstrom eines Trägermediums erzeugt und mit den fluiden Inhaltsstoffen des Trägermediums beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der zuvor beschriebene Messablauf jeweils vor und nach der Beauf­ schlagung des Tropfens mit den fluiden Inhaltsstoffen durchgeführt wird und damit voneinander abwei­ chende Werte zugänglich werden.4. Procedure according to one of the preceding claims made by a drop in the gas stream Carrier medium generated and with the fluid ingredients of Carrier medium is applied, characterized in that the previously described measurement sequence before and after the Beauf hitting the drop with the fluid ingredients performed and thus differ from each other appropriate values become accessible. 5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, das der Tropfen mit parallelem Laserlicht bestrahlt wird, das an der Trop­ fenoberfläche mindestens teil­ weise reflektiert wird, so dass aus der Änderung der Fläche des Lichtschattens des Tropfens die Änderung der Oberflächengrösse des Tropfens errechnet wird.5. Procedure according to one of the previous claims since characterized by the the Drops with parallel laser light is irradiated, that on the trop at least part of the surface is reflected wisely, so that from the change in the area of the Light shadow of the drop Change in surface size of the drop is calculated. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahldurchmesser des Laser­ lichtes mindestens doppelt so gross ist, wie der mittlere Trop­ fendurchmesser.6. The method according to claim 5, characterized in that the Beam diameter of the laser light at least twice is large, like the middle trop fendurchmesser. 7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die, nahe dem Zentrum des Tropfens auftreffenden, Laserlicht­ strahlen ausgeblendet werden.7. The method according to claim 5 or 6, characterized in that the, near the center of the Drop hitting laser light rays are hidden. 8. Verfahren nach einem der voran­ gegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Träger­ medium, noch vor dem Kontakt mit dem im, Gasstrom zu bildenden Tropfen, kontinuierlich oder dis­ kontinuierlich Fremdstoffe zuge­ setzt werden. Eine vorteilhafte Ausbildung hierzu wäre bei fluiden Zusätzen z. B. die Vernebelung über eine oder mehrere geeignete Düsen.8. Procedure according to one of the preceding claims, thereby characterized that the carrier medium, before contact with that im forming gas flow Drops, continuous or dis continuously added foreign substances be set. An advantageous one Training for this would be with fluids Additions such. B. the nebulization about one or more suitable Nozzles. 9. Verfahren nach einem der voran­ gegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich über eine PDA-Einheit (Phasen-Dop­ pler-Anemometrie) sowohl die Grössen und Geschwindigkeiten als auch Beschleunigung und Oszillation der fluiden Inhaltsstoffe des Trägermediums bestimmen lassen.9. Procedure according to one of the preceding claims, thereby featured that about a PDA unit (phase dop pler anemometry) both the Sizes and speeds as well as acceleration and Oscillation of the fluid ingredients determine the carrier medium to let. 10. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter Temperatur, Druck, pH- Wert, O2-Wert, und No-Wert fortlaufend erfasst und verarbeitet werden.10. Procedure according to one of the previous claims, characterized in that the Parameters temperature, pressure, pH Value, O2 value, and No value continuously recorded and processed become. 11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der voran­ gegangenen Ansprüche, bei wel­ cher ein Tropfen (5) in einem Gasstrom erzeugt wird, gekenn­ zeichnet durch eine Einrichtung zur Messung der relativen Än­ derung der Oberflächengrösse des Tropfens.11. An apparatus for performing the method according to any one of the preceding claims, in which a drop ( 5 ) is generated in a gas stream, characterized by a device for measuring the relative change in the surface size of the drop. 12. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Einrichtung zur Messung der relativen Änderung der Ober­ flächengrösse des Tropfens eine optische Einrichtung (M) ist, da­ durch gekennzeichnet, dass die optische Einrichtung eine Laser­ lichtquelle und eine laserlicht­ empflindliche Fotozelle ist.12. The device according to claim 10, being the device for measurement the relative change in the upper area size of the drop one optical device (M) is there characterized by that the optical device a laser light source and a laser light sensitive photocell. 13. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, gekennzeichnet durch ei­ nen Antrieb und einen Kolben (3), wobei über eine Kolbenbewegung die Tropfenoberflächengrösse verändert wird.13. The apparatus of claim 10 or 11, characterized by egg nen drive and a piston ( 3 ), wherein the droplet surface size is changed via a piston movement. 14. Vorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch einen An­ trieb, der den Kolben (3) zu oszillierenden Bewegungen an­ regt.14. The apparatus according to claim 11, characterized by a drive, which excites the piston ( 3 ) to oscillate movements. 15. Vorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch einen An­ trieb, der den Kolben (3) zu sprunghaften Bewegungen anregt.15. The apparatus according to claim 11, characterized by an on, which excites the piston ( 3 ) to abrupt movements. 16. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass die Volumenänderung des Tropfens (5) mit einer Anregungsfrequenz von mehr als 400 Hz erreichbar ist.16. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the change in volume of the drop ( 5 ) can be achieved with an excitation frequency of more than 400 Hz.
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CN114383979A (en) * 2022-01-21 2022-04-22 四川大学 Method for measuring surface tension coefficient of liquid by liquid drop method

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