DE1071379B - Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Oberflächenspannung von Flüssigkeiten - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

PATENTSCHRIFT 1071379

ANMELDETAG:

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UND AUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT:

AUSGABE DER
PATENTSCHRIFT:

DBP 1071379 kl. 421 13/03

INTERNAT. KL. G 01 Il

19. J ANU AR 1959

17.DEZEMBER1959 9. JUNI 19 60

stimmt Oberein mit auslegeschrift

1 071 379 (H 35391IX/42 1)

Zur Bestimmung der Oberflächenspannung sind zahlreiche statische und dynamische Verfahren bekannt, mit welchen Meßgenauigkeiten bis etwa 1 °/o vom Absolutwert der Oberflächenspannung erreicht werden können. Einige Zehntel Prozent Genauigkeit erhält man nur mit der Reflexionsmethode nach Eötvös, die in ihrer Durchführung jedoch etwas umständlich ist. Vorliegende Erfindung entstand aus der Suche nach einem Weg zur Bestimmung der Oberflächenspannung, mit dessen Öilfe die Genauigkeit mit verhältnismäßig geringem instrumenteilen und zeitlichen Aufwand auf einige Zehntel Promille vom Absolutwert gesteigert werden sollte.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem die auf ihre Oberflächenspannung zu untersuchende Flüssigkeit in ein besonderes Meßgefäß eines bestimmten Durchmessers und vorzugsweise kreisförmigen Querschnitts gefüllt, dieses mit der Flüssigkeitsober-' fläche als reflektierende Fläche_ in ein Lichtstrahlenbündel mit einem auf einen bestimmten Wert eingestellten öffnungswinkel eingeschaltet und aus der Veränderung desselben infolge der von der Oberflächenspannung abhängigen Krümmung der meniskenförmigen Flüssigkeitsoberfläche der Wert der Oberflächenspannung ermittelt wird.

Dieser Grundgedanke der Erfindung nützt folgerichtig die Erkenntnis aus, daß bei Anwendung eines Meßgefäßes mit kleinem Durchmesser, der die Ausbildung eines ebenen Flüssigkeitsspiegels in der Mitte nicht mehr zuläßt, und bei enger Lokalisierung der vom auftreffenden, scharf begrenzten Lichtbündel getroffenen Zone auf einen kleinen und dadurch annähernd einer in Abhängigkeit von der Oberflächenspannung gekrümmten Kugelkalotte gleichenden Teil der Flüssigkeitsoberfläche sich ein für eine Messung geeigneter ein- fächer Zusammenhang zwischen der Oberflächenspannung und der Änderung des Lichtbündelöff nungswinkels ergibt.

Der Vorschlag der Erfindung kann in verschiedener Weise verwirklicht werden. Am günstigsten ist es, wenn dabei die Eigenschaft der gekrümmten Oberfläche der Flüssigkeit als Spiegel verwertet wird, während die Eigenschaft der Flüssigkeitsschicht als optische Linse sich nicht gut benutzen läßt, weil dabei noch der Brechungsexponent der zu untersuchenden Flüssigkeit einen Einfluß ausübt und zudem in vielen wichtigen Fällen auch eine hohe Lichtabsorption besteht. Die bei der Spiegelung eingetretene Änderung des öffnungswinkels des Lichtbündels, welche durch die Spiegelbrennweite der Flüssigkeitsoberfläche bestimmt ist, ergibt sodann ein reproduzierbares Maß für die Oberflächenspannung.

Um die von der Krümmung der Flüssigkeitsoberfläche im Meßgefäß und damit von der Oberflächen-Verfahren und Vorrichtung

zur Messung der Oberflächenspannung

von Flüssigkeiten

Patentiert für:

Fritz Hellige & Co. G.m.b.H.,
Freiburg (Breisgau)

Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. Norbert Kleine,

Merzhausen bei Freiburg (Breisgau),
Dr. med. Max Matthes und Dr. med. Wolf gang Müller,

Freiburg (Breisgau),
sind als Erfinder genannt worden

spannung abhängige Änderung des Lichtbündelöffnungswinkels für manche Fälle besser erfassen zu können, sind nach der Erfindung auch noch zusätzliche optische Mittel vorgesehen. Durch Einschaltung von " Konvex- oder Konkavlinsen mit ihrer zusätzlichen Brechkraft in das reflektierte Lichtbündel oder durch Änderung der Lage der vorhandenen Linsen in Richtung der Lichtbündelachse kann entweder eine volle Kompensation der eingetretenen Änderung des öffnungswinkels und damit eine einfache Messung oder umgekehrt eine Summierung der Effekte und Hebung derselben in einen der Messung besser zugänglichen Bereich bewirkt werden.

Zur Veranschaulichung des Grundprinzips der Erfindung dienen die Fig. 1 und 2. Die Fig. 3 zeigt als Beispiel den optischen Aufbau eines Gerätes gemäß der Erfindung.

In den beiden erstgenannten Figuren ist das auf treffende Lichtbündel mit 6 bzw. 7 bezeichnet. Die reflektierten Lichtbündel 6' bzw. 7' sollen zu einem Ausgangszustand 1 der Flüssigkeit gehören, während die gestrichelt gezeichneten Begrenzungen der reflektierten Lichtbündel 6" bzw. 7" für einen durch Änderung der Oberflächenspannung, z. B. entweder nach Austausch der in das Meßgefäß 3 eingefüllten Flüssigkeit oder nach Zugabe von sich darin lösenden Stoffen, eingetretenen weiteren Zustand 2 der Flüs'sigkeitsoberfläche gelten. Die Flüssigkeit ist in einen schmalen Trog oder in eine Küvette oder in ein ähnliches Gefäß 3 mit vorzugsweise kreis-

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förmigem Querschnitt eingefüllt. Die weiteren Mittel zur Beherrschung des optischen Strahlenganges sind •durch eine Konkav- oder eine Plankonvexlinse 4 bzw. 5 angedeutet.

Um lichtstrommäßig die Öffnungswinkeländerungen des von der Flüssigkeit ausgehenden Lichtbündels 6' bzw. T mit großer Empfindlichkeit messen zu können, wird nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung der nur wenig auf die Brennweitenänderungen der meniskenförmigen Flüssigkeitsoberfläche reagierende zenirale Teil des an ihr reflektierten Strahlenbündels durch eine lichtundurchlässige Blende unterdrückt und der relativ stark auf diese ßrenuweitenänderungen reagierende periphere, ringkegelförniige Teil des Strahlenbündels allein zur Auswertung herangezogen.

Der Strahlengang verläuft bei der Anordnung nach Fig. 3 gemäß der durch die strichpunktierte Linie angedeuteten optischen Achse 11. Das mittels eines Kondensors 9 parallel gerichtete, von einer Lichtquelle 8 Anordnung der optischen Mittel beliebige Oberflächenspannungsbereiche untersuchen, wenn der Durchmesser der meniskenförmigen Flüssigkeitsoberfläche, bzw. der Gefäßdurchmesser, für verschiedene Oberflächenspannungsbereiche so abgestuft wird, daß sich diese etwa proportional zur Kubikwurzel der mittleren Oberflächenspannung im jeweiligen vermuteten'Meßbereich verhalten, wie aus dem gegebenen Zusammenhang folgt.

Des weiteren besteht die Möglichkeit, die Meßvorrichtung derart auszubilden, daß bei gegebenem Abstand der Gefäßwände, also bei gegebener Größe des Gefäßdurchmessers, der Flüssigkeitsspiegel in seiner Lage zum optichen Strahlengang in Richtung der optischen Achse je nach dem zu untersuchenden Oberflächenspannungsbereich einstellbar ist. Eine Kombination mit dem zuvor erwähnten Verfahren ergibt sich durch Benutzung eines innenseitig konisch nach oben erweiterten Meßgefäßes. Darin soll die Flüssigkeits

ausgehende Lichtbündel 16 erhält durch eine Blende 10 20 oberfläche entweder durch entsprechende Bemessung eine scharfe seitliche Begrenzung und wird durch einen der eingefüllten Menge oder mittels eines eingetauch-Spiegel 12 umgelenkt. Um zwecks größerer Genauigkeit nur einen kleinen, annähernd kartenförmigen
Teil der Flüssigkeitsoberfläche zur Messung heranzuziehen, erzeugt eine Konvexlinse 13 das verkleinerte 25
Bild der Blende 10 auf der meniskenförmigen Flüssigkeitsoberfläche 2, welche als Hohlspiegel wirkt und
z. B. eine die Linse 13 einfassende Blende 14 bei 14'
abbildet.

Die Lage von 14' ändert sich mit dem Krümmungs- 30 keitsoberfläche berücksichtigt werden, radius der Flüssigkeitsoberfläche infolge der Ände- Eine andere Möglichkeit, gemäß der Lehre der Er-

rung des öffnungswinkels des die Abbildung erzeugenden Lichtbündels 16'. Eine weitere Konvexlinse 15 dient dazu, das reflektierte Lichtbündel 16' auf einen ten Ausdehnungskörpers bis in einer solchen Höhe liegen, daß ihr Durchmesser gemäß der oben angegebenen Beziehung einem festen Mittelwert des vermuteten Wertebereiches der Oberflächenspannung entspricht. Auf diese Weise lassen sich alle in Betracht kommenden Wertebereiche bequem bei der Messung erfassen. Allerdings muß dann auch der Einfluß der Wandungsneigung des Gefäßes auf die Krümmung der Flüssig-

findung verschiedene Oberflächenspannungsbereiche zu erfassen, besteht darin, die Größe und/oder die Lage der zur Unterdrückung des zentralen Teiles des Licht

für die Messung auswertbaren Bereich des in den re- 35 bündeis dienenden Zone bzw. Blende 18 zu verändern.

flektierten Strahlengang eingeschalteten Photoelementes 17 zu konzentrieren, wobei aber eine Änderung des öffnungswinkels sich nach wie vor in einer Erweiterung oder Verengung der bestrahlten aktiven Fläche Schließlich sind, zweckmäßig die zur Messung des von der Blende nicht abgeschirmten peripheren Teiles des Lichtbündels dienenden, vorzugsweise photoelektrischen Mittel 19, z. B. Galvanometer, derart geeicht,

des Photoelementes auswirkt. Dieses besitzt eine zen- 40 daß auf ihrer Skala die Werte der Oberflächenspan-

trale, photoelektrisch unwirksame Zone 18, die die Wirkung einer Blende hat und so groß gewählt ist, daß bei der größten zu messenden Oberflächenspannung gerade noch eine gewisse Lichtmenge auf seine perinung unmittelbar abgelesen werden können. Die beschriebenen Ausführungsformen des Erfindungsgedankens fußen auf einer Intensitätsmessung. Indessen könnte man aber auch das reflektierte Lichtbündel auf

phere, aktive Ringzone 20 fällt. Der mit dem Anzeige- 45 einen mit einer Skala versehenen Schirm oder auf eine gerät 19 gemessene Photostrom ist dann ein Maß für Mattglasscheibe fallen lassen und so die Änderungen die Oberflächenspannung. Je kleiner diese ist, desto seines öffnungswinkels messen und bei entsprechender größer ist der gemessene Photostrom. Die gesamte An- Eichung der Skala wieder unmittelbar die Oberflächenspannung ablesen.

Die Erfindung hat eine besondere Bedeutung auf dem medizinischen und biologischen Sektor, da dort aus der Oberflächenspannung oft sehr wichtige Rückschlüsse

Ordnung ist von einem lichtundurchlässigen Gehäuse umschlossen.

Mit derartigen Meßanordnungen ist es bei entsprechender Dimensionierung der mittleren,photoelektrisch unwirksamen Zone 16 des Photoelements theoretisch möglich, beliebig kleine Änderungen des öffauf die Zusammensetzung von Flüssigkeiten gezogen werden können. Im allgemeinen wird man dabei das

uungswinkels des Lichtbündels und damit der Ober- 55 ^von der Flüssigkeitsoberfläche reflektierte Licht zur flächenspannung festzuhalten. Praktisch ist diesem Bestimmung der Oberflächenspannung heranziehen, da Verfahren nur durch die untere Nachweisgrenze des solche Flüssigkeiten normalerweise trübe oder nicht ge-Lichtstromes eine Schranke gesetzt. nügend lichtdurchlässig sind, um die Linseneigenschaft

Durch die Ausblendung des zentralen Teiles des der Flüssigkeitsschicht verwerten zu können. Damit Lichtbündels kann zwar die hohe Meßempfindlichkeit 60 entfällt dann auch ein Einfluß^ des Brechungsexponennur in einem beschränkten Oberflächenspannungsbereich ten der Flüssigkeit auf die Änderung des öffnungsausgenützt werden; indessen stehen zur Erfassung beliebiger Meßbereiche doch geeignete Maßnahmen einfacher Art zur Verfügung. Da z. B. bekanntlich der
Krümmungsradius der meniskenförmigen Oberfläche 65
eine Flüssigkeit in einem kreiszylindrischen, stehenden
Gefäß nicht nur umgekehrt proportional der Oberflächenspannung, sondern auch noch proportional der
dritten Potenz des Durchmessers des Gefäßes ist, kann
man durch Wahl des Gefäßdurchmessers bei gegebener 70

winkeis des Lichtbündels.

Claims (13)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Messung der Oberflächenspannung von Flüssigkeiten, dadurch gekennzeichnet, daß die auf ihre Oberflächenspannung zu untersuchende Flüssigkeit in ein besonderes Meß-

gefäß eines bestimmten, vorzugsweise kreisförmigen Querschnitts gefüllt,- dieses mit der Flüssigkeitsoberfläche als reflektierende Fläche in ein Lichtstrahlenbündel mit einem auf einen bestimmten Wert eingestellten Öffnungswinkel eingeschaltet und aus der Veränderung desselben infolge der von der Oberflächenspannung abhängigen Krümmung der meniskenförmigen Flüssigkeitsoberfläche der Wert der Oberflächenspannung ermittelt wird. ίο

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet' durch ein zur Aufnahme der zu untersuchenden Flüssigkeit dienendes, vorzugsweise kreiszylindrisches Gefäß eines bestimmten Durchmessers, durch Mittel zur Erzeugung eines auf vorzugsweise einen kleinen Ausschnitt der Flüssigkeitsoberfläche gerichteten Lichtbündels und durch beispielsweise auf einer Intensitätsmessung beruhende Mittel zur Bestimmung der durch die oberflächenspannungsabhängige Krümmung der Flüssigkeitsoberfläche verursachten Änderung des öffnungswinkels des Lichtbündels.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gefäß mit der zu untersuchenden Flüssigkeit als Spiegel in das Lichtbündel eingeschaltet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet durch Einschaltung einer Photozelle oder eines Photoelementes mit einer öffnungswinkelabhängigen Empfindlichkeit in den reflektierten Teil des Lichtbündels.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 4, gekennzeichnet durch vorzugsweise in den reflektierten Teil des Lichtbündels eingeschaltete zusätzliche optische, in ihrer Lage oder Brennweite veränderliche Glieder zum Ausgleich der von der Krümmung der Flüssigkeitsoberfläche verursachten Änderung des öffnungswinkels des Lichtbündels.

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 4, gekennzeichnet durch zusätzliche in das Lichtbündel eingeschaltete optische Mittel zur Vergrößerung der öffnungswinkel des Lichtbündels.

7. Verfahren nach Anspruch 1 zur Durchführung

in Vorrichtungen nach den Ansprüchen 2 bis· 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steigerung der Empfindlichkeit der nur wenig auf die Brennweitenänderung der meniskenförmigen Flüssigkeitsoberfläche reagierende zentrale Teil des Lichtbündels unterdrückt, und nur sein peripherer, relativ stark auf diese Brennweitenänderungen reagierender ringkegelförmiger Teil zur Auswertung herangezogen wird.

8. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 6, gekennzeichnet durch einen Satz von Gefäßen verschiedenen Innendurchmessers zur Aufnahme von Flüssigkeiten mit verschiedenen Oberflächenspannungen, wobei die Gefäßdurchmesser jeweils einem bestimmten mittleren Wert von verschiedenen Wertebereichen der Oberflächenspannung entsprechend bemessen werden, und zwar dergestalt, daß sie sich etwa proportional zur Kubikwurzel der mittleren Oberflächenspannung im zugehörigen Wertebereich verhalten.

9. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gefäß für die zu untersuchende Flüssigkeit sich innenseitig konisch nach oben erweitert, und die Höhe des Flüssigkeitsspiegels und damit sein Durchmesser z. B. mittels eines eingetauchten Ausdehnungskörpers oder durch entsprechende Dosierung der eingefüllten Flüssigkeitsmenge auf einen Wert eingestellt ist, die dem Mittelwert des vermuteten Wertebereiches der Oberflächenspannung entspricht, und zwar gemäß der Beziehung, daß sich die Durchmesser der Flüssigkeitsspiegel etwa proportional zur Kubikwurzel der für jeden Wertebereich bestimmten mittleren Oberflächenspannung verhalten.

10. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 6, 8 und 9, gekennzeichnet durch eine Verstellbarkeit der Lage des zur Aufnahme der zu untersuchenden Flüssigkeit dienenden Gefäßes in Richtung der optischen Achse des Lichtbündels.

11. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 4 und 8 bis 10 und zur Durchführung des Verfahrens nach" Anspruch 7, gekennzeichnet durch Mittel oder Maßnahmen, z. B. Abschirmblender, zur Unterdrückung des auf die Brennweitenänderung der meniskenförmigen Flüssigkeitsoberfläche nur wenig reagierenden mittleren Querschnittsteils des Lichtbündels, um durch alleinige Auswertung der peripheren, ringkonusförmigen und relativ stark auf Änderungen der Oberflächenspannung reagierenden äußeren Teils des Lichtbündels die Empfindlichkeit zu steigern.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine veränderliche Größe oder Lage der zur Unterdrückung des mittleren Teils des Lichtbündels dienenden Mittel.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Photoelement eine mittlere, nichtaktive Zone besitzt, um den zentralen, wenig auf die Änderung der von der Oberflächenspannung abhängenden öffnungswinkel ansprechenden Querschnittsteil des Lichtbündels unwirksam zu machen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

® 909 689/299 12. ((Η» 526Λ7 6, 60)