DE3441317A1

DE3441317A1 - Einrichtung zur messung der grenzflaechenspannung

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Publication number: DE3441317A1
Application number: DE19843441317
Authority: DE
Inventors: Erfinder Wird Nachtraeglich Benannt Der
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-11-12
Filing date: 1984-11-12
Publication date: 1986-08-07

Description

3U1317

- y-

Einrichtung zur Messung der Grenzflächenspannung

Die vorliegende Erfindung betrifft, eine Einrichtung zur Messung der Grenzflächenspannung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Es sind verschiedene Meßverfahren zur Messung der Grenzflächenspannung bekannt. Beispielsweise sind die folgenden statischen Meßverfahren bekannt:

Bei dem sogenannten Kapillarverfahren wird eine Kapillare in die Flüssigkeit eingetaucht, deren Grenzflächenspannung zu messen ist. Nach dem Eintauchen der Kapillare steigt die Flüssigkeit in der Kapillare, wobei die Höhe der in der Kapillare befindlichen Flussigk_e_i_tssäu 1 je _dejr_Gr_en_zf 1 ächenspannung entsρricht_. Ein Nachteil dieses Verfahrens besteht insbesondere darin, daß die verwendete Kapillare nach jedem Meßvorgang gereinigt werden muß. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß für jede Messung eine relativ große Flüssigkeitsmenge erforderlich ist.

Bei der bekannten Wilhelmy-Methode wird eine dünne Platte bzw. Rahmen über ein Hebelgestänge mit der Oberfläche der Flüssigkeit, deren Grenzflächenspannung gemessen werden soll, in Kontakt gebracht. Durch den Flüssigkeitskontakt wird die Platte

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bzw. der Rahmen in die Flüssigkeit gezogen. Die Eintauchtiefe ist der Grenzflächenspannung proportional. Nachteile dieser Methode bestehen ebenfalls darin, daß die Platte bzw. der Rahmen nach jedem Meßvorgang, beispielsweise durch Ausglühen, gereinigt werden muß und daß für jede Messung eine relativ große Flüssigkeitsmenge benötigt wird.

Bei dem ebenfalls bekannten Sessile-Drop-Verfahren wird zunächst ein Tropfen der zu messenden Flüssigkeit auf eine Unterlage, bei der es sich beispielsweise um eine Glasplatte handelt, aufgebracht. Dann wird der Winkel zwischen der Unterlage und dem Tropfen gemessen. Dieser Winkel ist ein Maß für die Grenzflächenspannung des Flüssigkeitstropfens. Auch bei diesem Verfahren ist nach jedem Meßvorgang eine Reinigung der Unterlage erforderlich.

Bei dem bekannten Pendant-Drop-Verfahren wird an einer Kanüle ein Flüssigkeitstropfen einer definierten Flüssigkeitsmenge . erzeugt. Nach einer vorgegebenen Formel kann die Grenzflächenspannung der Flüssigkeit aufgrund der Form des an der Kapillare erzeugten Tropfens aufgrund der Messung zweier vorgegebener Durchmesser _des_ erzeugten Tropfens berechnet jjerden . Der

wesentliche Vorteil des Pendant-Drop-Verfahrens besteht darin, daß zwischen aufeinanderfolgenden Meßvorgängen keine Reinigung erforderlich ist, weil die Kanüle, an der der zu vermessende Tropfen erzeugt wird, in einer einfachen Weise mit der nachfolgend zu messenden Flüssigkeitsprobe gespült werden kann. Weitere Vorteile des Pendant-Drop-Verfahrens werden später noch näher erläutert.

Neben den voranstehend beschriebenen statischen Meßverfahren, bei denen die Grenzfläche während des Meßvorganges in-ihren- — geometrischen Abmessungen weitgehend konstant bleibt, sind

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semidynamische und dynamische Meßverfahren bekannt, bei denen die Grenzfläche während des Meßvorganges vergrößert bzw. extrem vergrößert wird. Aus diesem Grunde können dynamische Verfahren nur dann zu richtigen Meßergebnissen führen, wenn die Geschwindigkeit der Gleichgewichtseinstellung an der Grenzfläche wesentlich größer ist als die Verformungsgeschwindigkeit der Flüssigkeitslamelle.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Einrichtung zur Messung der Grenzflächenspannung anzugeben, durch die die Grenzflächenspannung nach einem statischen Verfahren, das mit kleinen Probenvolumina ohne Beeinflussung der Oberfläche während des Meßvorganges arbeitet, bestimmbar ist.

Diese Aufgabe wird durch eine Einrichtung zur Messung der Grenzflächenspannung der eingangs genannten Art gelöst, die durch die in dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gekennzeichnet ist.

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen■Einrichtung besteht darin, daß die Bestimmung der Grenzflächenspannung von

Flüssigkeiten _oh nj5_ zeit- jn d__ k o_s_t e η au f w en d i g e. _ R e i η i g u η g s -

schritte zwischen verschiedenen Meßvorgängen möglich ist, da das Meßsystem mit der nachfolgenden Flüssigkeitsprooe ausreichend gespült werden kann.

Vorteilhafterweise arbeitet die erfindungsgemäße Einrichtung nach dem statischen Pendaht-Drop-Verfahren, so daß die Grenzfläche während des Meßvorganges in ihren geometrischen Abmessungen weitgehend konstant bleibt.

.Vorteilhafterweise ist der durch die erfindungsgemäße Ein- ~ *

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-zurichtung durchgeführte Meßvorgang kontaktlos, da der nach dem Pendant-Drop-Verfahren erzeugte Flüssigkeitstropfen mit einer Polaroidkamera fotographiert und anschließend vermessen wird. Die Grenzfläche des Flüssigkeitstropfens wird daher ηicht beeinflußt.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Einrichtung besteht darin, daß für jeden Meßvorgang nur minimale Flüssigkeitsmengen (etwa 0,5 ml und weniger) erforderlich sind.

Vorteilhafterweise arbeitet die erfindungsgemäße Einrichtung mit einer optimalen Reproduzierbarkeitsrate.

Ein Vorteil der vorliegender Erfindung besteht darin, daß aneinanderfolgende Tropfen sofort nachgebildet und vermessen werden können. Die einzelnen Meßvorgänge können daher in jeweils kleinen Zeitintervallen durchgeführt werden.

Vorteilhafterweise erfolgt beim Messen mit" der erfindungsgemäßen Einrichtung eine automatische Dokumentation eines ermittelten Grenzflächenspannungswertes, da ein an der Kanüle -erzeugter Fl üssigkeits tropf en mit. „d.er__Hil_f ei_e_iner

Polaroidkamera fotographiert wird. - - -

Im folgenden werden die Erfindung und deren Ausgestaltungen im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Darstellung zur Erläuterung

des Rechenalgorithmus des Pen-' " dant-Drop-Verfahrens;

Fig. 2 in schematischer Darstellung den

Aufbau der erfindungsgemäßen Ein-

richtung zur Messung der Grenzflächenspannung ;

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Fig. 3 in schema tischer Darstellung den Aufbau der Küvette der erfindungsgemäßen Einrichtung ;

Fig. 4 eine Schablone zur Tropfenvermessung; und

Fig. 5 Darstellungen zur Erläuterung der Bildausbis 9 wertung.

Im folgenden wird zunächst das Pendant-Drop-Verfahren näher erläutert, nach dem die Erfindung zur Messung der Grenzflächenspannung vorzugsweise arbeitet. Gemäß der Figur 1 sind zur Durchführung des Pendant-Drop-Verfahrens vier Schritte erforderlich. Zunächst wird beim ersten Schritt am Ende einer Kanüle 10 ein Tropfen einer vorgegebenen Flüssigkeitsmenge erzeugt und es wird der erzeugte Tropfen mit der Hilfe einer . Kamera fotographiert. Beim nachfolgenden zweiten Schritt wird aus den vorbestimmten Durchmessern d_s und d_e (s. Figur 1) des fotographierten Flüssigkeitstropfens der Quotient S = ^_s/d bestimmt. Beim dritten Schritt wird der Faktor l/H aus einer vorgegebenen Tafel ermittelt. In einer derartigen Tafel sind für verschiedene Werte S vorbestimmte Faktorenwerte l/H angegeben. Schließlich erfolgt im vierten Schritt die Berechnung der Grenzflächenspannung nach der Formel':

0 - l/H · fl^_. d² _eB - 1/V2 -g/mN/^r (1)

In dieser Formel bezeichnen:

l/H den beim Schritt 3 bestimmten Faktor; Δ K die Dichtedifferenz zwischen den Systemphasen,

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-X-

d.h. also die Differenz der Dichten des Flüssigkeitstropfens und des den Flüssigkeitstropfen in der Küvette umgebenden Mediums;

d_eß den größten Tropfendurchmesser des fotographierten Tropfens;

V den Tropfenvergrößerungsfaktor, der sich aus verschiedenen Vergrößerungsfaktoren zusammensetzt, wie dies später noch im einzelnen erläutert werden wird; und

g die Erdbeschleunigung.

Im übrigen sollte der Rechenalgorithmus wegen Durchmesserfehler von d_s und d den Kanülendurchmesser d^ als ständigen Korrekturfaktor beinhalten. Dadurch wird eine größere Genauigkeit bei der Berechnung erzielt. Durchmesserabweichungen ergeben sich durch den Einfluß der Entwicklungszeit, durch Standartschwankungen in den Filmemulsionen und durch die mangelhafte Planlage der Polaroidfilme in den Filmkassetten. Die Formel lautet dann:

In dieser -Formel bezeichnen:

l/H' den beim Schritt 3 bestimmten Faktor

Λ c Dichtedifferenz

g Erdbeschleunigung I9,81 m/s~J

d_eg größter Tropfendurchmesser im Bild

dj/ß Kanülendurchmesser im Bild

dv Kanülendurchmesser

copy m

/if

Im folgenden wird nun die erfindungsgemäße Einrichtung beschrieben, mit deren Hilfe die zuvor genannten Schritte 1 bis 4 des Pendant-Drop-Verfahrens durchgeführt werden. Wie dies aus der Figur 2 ersichtlich ist, weist die vorliegende Einrichtung eine Grundplatte 1 auf, die das Unterteil einer optischen Bank darstellt und zur Erhöhung der Verwindungssteifigkeit temperaturstabil verrippt sein kann. An der Grundplatte 1 sind Schraubfüße 2 vorgesehen, die die Ausrichtung der Grundplatte 1 in die waagerechte Ebene ermöglichen. Auf der Grundplatte 1 sind verschiedene Einrichtungen, nämlich ein optisches System 3 bis 7 und 7', eine auf einem Küvettentisch 9 angeordnete Küvette 8, eine in der Küvette vorgesehene Kanüle 10, ein Thermostatbad 11 mit einer vorzugsweise digitalen Temperaturmeßeinrichtung 12, ein Beleuchtungssystem 13, 14 und ein Spritzprobenhalter 15 angeordnet.

Das optische System weist ein von einem Objektivträger 4 gehaltenes Objektiv 3, einen Vergrößerungstubus 5, einen Okulartubus 6, einen Kompurverschluß 7 und ein Polaroidkameragehäuse 7' auf. Die Vergrößerungsoptik und das Polaroidkameragehäuse 7' sind an einem Führungsschlitten 16 angeordnet, der

__s_i ch_ a_b_s\o11u t ρ a rail e 1 „zur _G r_u η d ρ i^a 11 e. _. 1 __b ewege η 1 ä ß t. Der

Führungsschlitten 16 wird zur Scharfstellung des von der in dem Kameragehäuse 7' enthaltenen Polaroidkamera aufgenommenen Bildes mit der Hilfe eines Einstellrades 17 bewegt. Das optische System kann nach der Scharfstellung mit der Hilfe von nicht dargestellten Klemmschrauben arretiert werden. In dem Vergrößerungstubus 5 ist vorzugsweise ein Polarisationsfilter vorgesehen, durch das Spiegelungen an einem an der Kanüle 10 angeordneten Tropfen verhindert werden.

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IS

Die gasdichte Küvette 8 ist auf einem verstellbaren Küvettentisch 9 befestigt. In der Küvette 8 kann die Kanüle 10 mit der Hilfe eines Kanülenträgers hängend oder stehend eingesetzt werden, je nachdem ob der Tropfen im Meßsystem hängen (^ Tropfen> } Umgebung) oder stehen ( F Tropfen<^ Umgebung) soll. In die Küvette 8 können Flüssigkeiten oder Gase wie z.B. O2» ^2' ^®2 usw. eingebracht werden, so daß die Oberflächenspannung des Tropfens sowohl in Bezug auf Flüssigkeiten oder Gase gemessen werden kann. In der Küvette 8 sind zwei Wärmetauscherkammern 18, 19 vorgesehen, die von dem Thermostatbad 11 aus in der maximalen Diagonale durchströmt werden. Zu diesem Zweck werden der Zufuhrstutzen 20 und der Auslaßstutzen 21 (Figur 3) zweckmäßigerweise mit der Hilfe vein Kunststoff- oder Gummischläuchen mit den entsprechenden Stutzen 22,23 des Thermostatbades 11 verbunden.

Der optische Zugang zu dem an der Kanüle 10 hängenden Tropfen 23 wird über zwei Glasscheiben 24, 25 gewährleistet, die vorzugsweise aus Kristallglas bestehen und jeweils planparallel mit einer optischen Qualität von etwa 1:100 mm geschliffen sind.

Zur Vornahme einer genaüen~Hessung Ist es erforderlich, den Tropfen 23 genau in die optische Achse zu justieren. Aus diesem Grunde ist die in die Küvette 8 eingebaute Kanüle- 10 nach allen Richtungen x, y, ζ verschiebbar. Zur Verschiebung der Küvette 8 in Bezug auf den Küvettentisch 9 sind am Küvettentisch nicht dargestellte Einstellschrauben vorhanden. Vorteilhafterweise ist die Küvette 8 mit der Hilfe eines ebenfalls nicht dargestellten Spannrahmens an dem Küvettentisch 9 befestigt, so daß ein beliebiges Auswechseln von Küvetten wesentlich erleichtert wird.

Die Kanüle 10 ist, wie dies aus der Figur 3 ersichtlich ist, in einem Schraubstutzen 26 befestigt, vorzugsweise verklebt, der in einem Deckel 27 der Küvette 8, vorzugsweise in die obere Wand, einschraubbar ist. Auf diese Weise kann die Kanüle 10 beliebig ausgewechselt werden. Zweckmäßigerweise besteht die Kanüle 10 aus V2A-Stahl. Beispielsweise beträgt der Außendurchmesser der Kanüle 10 1,2 mm. Das Ende der Kanüle 10 ist vorzugsweise präzisionsgeschliffen und weist eine Innen— und Außenphase von beispielsweise 0,2 mm auf.

Das Thermostatbad 11 weist einen Thermostaten auf, der eine Temperaturkonstanthaltung des die Küvette 8 durchströmenden Mediums von At=+ 0,1 C ermöglicht. Der Thermostat besitzt vorzugsweise vier fest einstellbare Temperaturwerte, nämlich die Temperaturwerte T = 25°C, 30°C, 37°C und 56°C mit einer zusätzlichen Feinregelung von beispielsweise At = 0,8 C. Da-

o neben läßt sich zwischen den Temperaturwerten T = 20 C und T = 65 C vorzugsweise jede gewünschte Temperatur mit gleicher Genauigkeit einregeln. Die Durchflußmenge ist vorzugsweise zwischen 100 und 200 ml/min, regelbar.

Die Temperatur des die Küvette 8 durchströmenden Mediums wird durch eine Temperaturmeßeinrichtung 12 angezeigt- bei der es sich vorzugsweise um eine digitale Temperaturmeßeinrichtung" handelt.

Das Beleuchtungssystem der erfindungsgemäßen Einrichtung besteht im wesentlichen aus einer Einstellampe IA mit Helligkeitsregler, die zur diffusen Beleuchtung des gesamten Küvetteninnenraumes zur Voreinstellung des Tropfens dient, ..^Und^^einern_^Rin8tD-^lit?^sy^stem 13» das zur Ausleuchtung des Po-. laroidfotos verwendet wird.

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Vorzugsweise wird ein konzentrisch zur optischen Achse angeordnetes Ringblitzsystem 13 zur Ausleuchtung der Polaroidfotos verwendet. Ein derartiges Ringblitzsystem 13 besteht aus einer konzentrisch zur optischen Achse angeordneten Ringblitzröhre und einem Ringblitzgenerator. Dabei kann der Generator vorzugsweise in seiner Blitzleistung stufenweise gesteuert werden, so daß die durch die Ringblitzröhre 13 erzeugten Lichtmengen an unterschiedliche Meßsysteme anpaßbar sind. Dies ist notwendig, wenn weder das Vergrößerungssystem noch die Polaroidkamera über eine Blende zur Lichtmengensteuerung verfügen. .

Die Vorteile der Verwendung eines Ringblitzsystemes 13 zur Ausleuchtung des Polaroidfotos bestehen insbesondere darin, daß der Ringblitz während des Blitzvorganges, der kleiner als 1/200 see. ist, nur vernachlässigbar kleine Lichtmengen in den Küvettenraum transportiert. Außerdem kann ein Ringblitz in einer einfachen und optisch günstigen Weise in Bezug auf die optische Achse justiert werden. Schließlich nutzt der in der aus Figur 2 ersichtlichen Weise angeordnete Ringblitz die fotographischen Vorteile des Auflichtverfahrens.

Zur Voreinstellung des Tropfens ist neben dem Ringblitzsystem 13 die bereits angesprochene Einstellampe 14 vorgesehen-, die im Durchlichtverfahren arbeitet, und bei der es sich vorzugsweise um einen Punktstrahler handelt, dessen Leistung stufenlos gesteuert werden kann. Um die Wärmeadsorbtion an der Küvettenscheibe während des Voreinstellvorganges möglichst klein zu halten, werden vorzugsweise zwischen der Einstellampe 14 und der ihr zugewandten Küvettenscheibe ein Wärmefilter und eine einseitig matt g es ch Ii f f en e"" Sic he i b e a ng eordn et V " D as "W ä r m e f i 11 e r ~u η d ~~ die Scheibe sind in der Figur 2 schematisch dargestellt und mit Bezugszeichen 30 bezeichnet. Zweckmäßigerweise wird als Wärmefilter ein Blaufilter vorgesehen.

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Der Spritzprobenhalter 15, in dem die die zu vermessende Flüssigkeit enthaltenden Spritzen 31 angeordnet werden, besteht vorzugsweise aus zwei hohlen Halterhälften 32, in die eine Spritze 31 eingelegt werden kann. Die Halterhälften werden nach dem Einlegen der Spritze geschlossen und mit Schraubstiften (nicht dargestellt) gesichert. Der Ausgang der Spritze 31 ist über eine nicht dargestellte Verbindungsleitung, bei der es sich vorzugsweise um einen PVC-Schlauch handelt, mit den aus der Küvette 8 herausragenden Enden der Kanüle 10' verbunden. Die Feineinstellung der Tropfengröße erfolgt mit einem. Druckstift 33.

Durch Vermessen eines mit der Polaroidkamera aufgenommenen Polaroidbildes 34 des Tropfens 23 werden die bereits genannten Durchmesser d„ und d des an der Kanüle 10 im Küvetteninnenraum befindlichen Tropfens bestimmt. Der Wert l/H kann dann einer vorhandenen Tabelle 35, die beispielsweise in der Figur 8 dargestellt ist, entnommen werden oder durch eine Regressionsanalyse 35' ermittelt werden, die in der Figur 9 gezeigt ist. Beispielsweise kann das Polaroidfoto 34 in einer

ir 4 schematise!! dar g e s t e TT te η S c h a b 1 ο η e ~v e r m e s s e η

werden. Die Schablone weist eine Grundplatte 41 und eine darüber angeordnete, aufklappbare durchsichtige Scheibe", bei der es sie-h" zweckmäßigerweise um eine Plexiglasscheibe 40 handelt,, auf .

Polaroidfoto 34 wird zwischen der Grundplatte 41 und

„Pe definierten Lage angeordnet. Zur Bestimn Durchmesser d_{s und de ist e}ine

^ ^ ^{cr auf dem}PolaroidfoTo"34 ^bge'- ~

ene kl

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sehen, deren sich senkrecht zur Verschieberichtung erstreckender Schenkel 43 einen Meßschieber aufweist. Dabei besteht der Meßschieber vorzugsweise aus zwei in der Längsrichtung des Schenkels 43 verschiebbaren Schiebeteilen 44, 45, die so verschoben werden, daß ihre einander zugewandten Innenkanten an den gegenüberliegenden Außenlinien des abgebildeten Tropfens anliegen. Unter den Schiebeteilen 44, 45 ist ein vorzugsweise zur Längsachse der abgebildeten Kanüle 10 senkrecht verlaufender Nonius 46 vorgesehen, an dem nach dem zuvor beschriebenen Einstellvorgang der Durchmesser d_e abgelesen werden kann. Zur Ermittlung des Durchmessers d_s ist es nun lediglich erforderlich, die Winkelschiene 43 um die dem abgelesenen Durchmesser d_e entsprechende Strecke entlang der Skala 47 nach oben zu verschieben und die Schiebeteile 44, 45 derart zu verschieben, daß ihre Innenkanten den Tropfenumriß an den Schnittpunk- ·* ten zwischen dem Tropfenumriß und dem Nonius 46 berühren. Der Durchmesser d„ kann nun direkt am Nonius 46 abgelesen werden.

Nach der Bestimmung des Wertes S aus der Tabelle 35 und dessen Eingabe in einen Rechner 36 kann durch den Rechner 36 anhand der zuvor genannten Gleichung (l)oder(la) die Grenzflächenspannung (5 berechnet werden.

Bei der Vermessung eines einzelnen Tropfens, d.h. also nicht während der Messung bei Austropfvorgängen, bei denen eine Ab-Schnürung der einzelnen Tropfen an dem Kanülenende erfolgt, kann das Durchmesserverhältnis aus dem Verhältnis d_m^_n/d_max bestimmt werden, wobei d_min nach der folgenden Gleichung ermittelt wird:

^dmin = ^dKA + ^dKI ' (2)

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In dieser Gleichung bedeuten dj^ den Außendurchmesser der Kanüle 10 bzw. des Kanülenendes der Kanüle 10 und dj/j den Innendurchmesser der Kanüle 10 bzw. des Kanülenendes (Fig. 5) Die zuvorgenannte Gleichung (2) ist bei Kanülen mit sehr dünnen Wandstärken (d = 0,2 bis 0,3 mm) anwendbar. Der Vorteil der genannten Annäherung besteht darin, daß bei der Auswertung bzw. Vermessung des Polaroidfotos des Tropfens der Vergleichsdurchmesser d nicht bestimmt werden muß, da der mittlere Kanülendurchmesser bekannt ist. Die Messung kann daher vorteilhafterweise auf die Ermittlung des Durchmessers d_a = d reduziert werden.

c ill α λ

Zur halbautomatischen Bildauswertung ist es möglich, gemäß der Figur 6, die in schematischer Darstellung die Hälfte eines auf dem Polaroidfoto abgebildeten Tropfens 23 zeigt, mit einem Densiometerscanner auszuwerten bzw. abzutasten. Dabei wird der Durchmesser d_max nach der folgenden Gleichung bestimmt:

^dmax = ^dKA ^{+ d}KI + ^2f (^x _raax)· "'

In dieser Gleichung entspricht ^dKA + ^dKI dem oben bereits beschriebenen Durchmesser d_mj[_n. ^x _max·wird nach dem folgenden Ansatz ermittelt:

^d f(*max +Δ x) < 0 - (3)

Bei der Vermessung von Austropfvorgängen erfolgt die Vermessung der Tropfen halbautomatisch auf eine andere Weise, da bei Austropfvorgängen die oben angegebene Gleichung

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-Uc-

άν\ + dj7-[· nicht gilt, weil sich die schnell aufeinanderfol-

genden Tropfen am Kanülenende abschnüren. Die Form eines derartigen Tropfens ist in der Figur 7 dargestellt. Die Ermittlung des minimalen Durchmessers ^d _min ^{und des ma}x^imal^en Durchmessers d erfolgt nach den folgenden Gleichungen: max

^dmin = ^dKI - ^2f (^xmin> <⁴>

^dmax = ^dKI ^{+ 2f} <^xmax) (⁵^

^{Für x}min 8^ilt: - ^f(^xmin + Δ ^x) > °

^{Für x}max §^ilt: d_Y ^f(xmax) ^+Δχ> ^ °

Zur Ermittlung kann auch in diesem Fall der auf dem Polaroidfoto abgebildete Tropfen mit einem Densiometerscanner ausgewertet bzw. abgetastet werden.

Im folgenden wird kurz der Betrieb der vorliegenden Einrichtung -erläutert .--Zu nach st __wir.d.._d i.e. .Kanu l„e__K) in aie Küvette 8^ eingesetzt. Außerdem wird in den Innenraum der Küvette 8 das die Kanüle 10 umgebende Medium eingebracht. Die Kanüle 10 wird mit der in dem Spritzenhalter 15 enthaltenen Spritze verbunden. Außerdem werden die erforderlichen Verbindungen zwischen der Küvette 8 und dem Thermostatbad 11 hergestellt, durch das das die Küvette 8 durchströmende Medium auf der gewünschten konstanten Temperatur gehalten wird, die durch über den im Innenraum der Küvette vorgesehenen Temperaturfühler 50 (Fig. 3) gemessen wird. Am Ende der Kanüle 10 wird dann nach Einschalten

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der Einstellampe 14 ein Tropfen 23 erzeugt. Durch Verschieben des Küvettentisches 9 wird der Tropfen 23 genau in die optische Achse des optischen Systemes justiert. Nach dem richtigen Einstellen des optischen Systemes kann dann durch Ausleuchten des Tropfens mit dem zur optischen Achse justierten Ringblitzsystem ein Polaroidfoto des Tropfens hergestellt werden. Die Auswertung dieses Bildes erfolgt dann in der oben bereits beschriebenen Weise.

Anhand der oben beschriebenen Gleichungen ist auch eine vollautomatische Bildauswertung mit einer zwischengeschalteten elektronischen Kamera oder einem Bildplattenprinzip als Speicherbildmessung möglich. Dabei werden einem integrierten Rechnef die beim Austropfverfahren bzw. die bei Vermessung eines einzelnen Tropfens ermittelten Werte von d _m ..· _ und d ein —

Ht X Il UIdA

gegeben. Durch den Rechner lassen sich dann die Parameter: Grenzflächenspannung, Profil, Oberfläche und Volumen des Tropfens in Ruhe und auch beim Austropf Vorgang errechnen.

Die erfindungsgemäße Einrichtung kann auf folgenden Bereichen sinnvoll angewendet werden:

Die Messung der absoluten Grenzflächenspannung kann iη teηsidinaktiven Systemen erfolgen. Außerdem kann die Messung von Gleichgewichtseinstellungen der Grenzflächenspannung in tensidaktiven Systemen vorgenommen werden. Folgende Meßparameter können ermittelt werden: Grenzflächenspannung,' Tropfenprofil, Tropfenprofilfläche, Tropfenoberfläche und Tropfenvolumen.

Mit einer Hochgeschwindigkeitskamera, die an Stelle der in der Figur 2 dargestellten Polaroidkamera 7 vorgesehen wird, .können Austropfvorgänge aus einer Kanüle, oder -einem Sieb un- —

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tersucht werden. Dabei können die folgenden Meßparameter bestimmt werden: Grenzflächenspannung, Tropfenprofil, Tropfenprofilfläche, Tropfenoberfläche und Tropfenvolumen.

In einem Gegenversuch kann auch die Blasenbildung von beliebigen Gasen in flüssigen Medien untersucht werden. Dabei wird das Gas über die Kanüle 10 in das im Inneren der Küvette 8 befindliche flüssige Medium "tropfenförmig" eingebracht. Die folgenden Meßparameter können ermittelt werden: Grenzflächenspannung, Blasenprofil, Blasenprofilflache, Blasenoberflache und Blasenvolumen.

Bei der Verwendung einer eben'en Fläche an Stelle einer Kanüle können mit der Hilfe der Kontaktwinkelmessung oder der Sessile-Drop-Methode beliebige Flüssigkeiten untersucht werden. Zu diesem Zweck werden Flüssigkeitstropfen auf einer ebenen Unterlage aufgebracht und in der erfindungsgemäßen Einrichtung vermessen. Es können die folgenden Meßparameter ermittelt werden: Grenzflächenspannung, Tropfenprofil, Tropfenprofilfläche, Tropfenoberfläche, Tropfenvolumen und Benetzungsparameter.

In Kombination mit einer geeichten Perfusionspumpe können" auch Messungen mit der'.Drop-Volume- bzw. Drop-Weight-Methode realisiert werden; Meßparameter: Grenzflächenspannung.·

Bei der Produktion von tensidaktiven Lösungen, wie beispielsweise Detergenzien und Farben, kann das Pendant-Drop-Verfahren einen entscheidenden Vorteil bieten. Es kann nämlich direkt in ein geschlossenes wie auch in ein offenes Produktionsverfahren integriert werden, we i .1 d i ü - E i genspülf ähigkei t des Verfahrens uiikoinpl i ζ i er U< _ Rci hcniiicssuiigcn zuläßt.. Bei einer automatischen Bildauswertung (z.B. durch ein Densitometrieverfahren) kann die Grenzflächenspannung direkt als Regel-

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- yf -

größe in einen Produktionsprozeß eingehen.

Auf medizinischem Gebiet kann durch Untersuchung der Grenzflächenspannung von Fruchtwassertropfen die präpartale Lungenreife abgeschätzt werden. Die erfindungsgemäße Einrichtung ermöglicht daher Untersuchungen der Lungeηreife während der Schwangerschaft durch die Bestimmung der Grenzflächenspannung von Fruchtwasser tropfen .

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Claims

Dlpl.-Ing. Nikolaus von Püttkametr.. :. .:. ⁼. " :

Patentanwalt 3 A 4 1 3 1

Zugelassen beim Europäischen Patentamt

Patentanwalt Nikolaus von Puttkamer. PlenzenauarstraBe 2. 8000 München 80 Postadresse:

Pienzenauerstraße 2

8000 München 80

Telefon: (089) 98 03 24 und 98 72

Telex: 522767

Einrichtung zur Messung der Grenzflächenspannung

Patentansprüche

Einrichtung zur Messung der Grenzflächenspannung eines ' Flüssigkeitstropfens, dadurch gekennzeichnet, daß ein optisches System (3 bis 7, 7') mit einer Kamera zur Aufnähme des Tropfens (23), ein Beleuchtungssystem (13, 14) zum Ausleuchten eines fotographischen Bildes (34) des Tropfens (23), eine Regeleinrichtung (12, 50), durch die die Temperatur des den Tropfen .(23) umgebenden Mediums auf einem konstanten Wert haltbar ist, und eine Meßeinrichtung (Fig. 4) zur Vermessung'des Bildes (34) des Tropfens (23) vorgesehen sind.

Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

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ο - 2 -

das optische System ein von einem Objektivträger (4) gehaltenes Objektiv (3), einen Vergrößerungstubus (6), einen Kompurverschluß (7) und ein Kameragehäuse (7^T), in dem eine Kamera befestigt ist, aufweist.

3) Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Kameragehäuse (7^f) eine Polaroidkamera befestigbarist.

4) Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Beleuchtungssystem eine Einstelllampe (14) zur diffusen Beleuchtung des Tropfens (23) und ein Ringblitzsystem (13) zum Ausleu.chten des Bildes (34) umfasst. ■ _"~- "' -' ' ' '_":

5) Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ringblitzsystem (13) eine konzentrisch zur optischen Achse angeordnete Ringblitzröhre aufweist.

6) Einrichtung nach Ansprcuh 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Blitzleistung der Ringblitzröhre stufenlos steuerbar ^; ist.

7) Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Einstellampe (14) ein Punktstrahler vorgesehen ist, dessen Leistung stufenlos steuerbar ist.

8) Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Tropfens (23) eine Kanüle (10) in einer Küvette (8) vorgesehen ist, daß die Küvette (8) derart einstellbar ist, daß sich ein an der

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Kanüle (8) befindlicher Tropfen (23) in der optischen Achse befindet.

9) Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Küvette (8) zwischen der Einstellampe (IA) und dem Ringblitzsystem (13) angeordnet ist.

10) Einrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Küvette (8) an der der Einstellampe (14) und an der dem Ringblitzsystem (13) jeweils zugewandten Seite eine den Lichtdurchtritt zulassende Glasscheibe . (24, 25) aufweist.

11) Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasscheiben (24, 25) planparallel geschliffen sind und aus Kristallglas bestehen.

12) Einrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Küvette (8) auf einem Küvettentisch (9) angeordnet ist, der durch Einstellschrauben in die drei Koordinatenrichtungen verschiebbar ist.

13) Einrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch

gekennzeichnet, daß die Kanüle (10) an einem Schraubstutzen (26) befestigt ist, der in eine Wand der Küvette (8) einschraubbar ist. . . ^S

14) Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Schraubstutzen (26) in die obere Wand bzw. den Deckel (27) der Küvette (8) einschraubbar ist.

*5) Einrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch ge-

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kennzeichnet, daß in den die Kanüle (10) der Küvette (8)
umgebenden Küvetteninnenraum ein gasförmiges oder flüssiges Medium einbringbar ist und daß die Kanüle (10) im Küvetteninnenraum hängend oder stehend anordenbar ist.

16) Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,

daß die Küvette (8) den Küvetteninnenraum umgebende Wärmetauscherkammern (18, 19) aufweist, die über Verbindungsleitungen (20, 21) mit der Regeleinrichtung (12) in Verbindung stehen und daß die Regeleinrichtung (12) ein /:^.. Thermostatbad (11) aufweist, durch das das die Wärme- ; tauscherkammern (18, 19) durchströmende Medium auf dem
konstanten Temperaturwert haltbar ist. . ' ,

17) Einrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung eine digitale Temperaturmeßeinrichtung umfasst, die mit einem Temparaturfühler (50) zusammenwirkt, der im Küvetteninnenraum angeordnet
ist. ■ . ■ . ; .. ---;";

18) Einrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch -gekennzeichnet ,--daß -derKüvettentisch -"(9")"ϊ—das ~ ¹^" optische System (3 bis 7, 7') und das Beleuchtungssystem (13, 14) auf einer zur Erhöhung der Verwindungssteifigkeittemperaturstabil verrippten Grundplatte (1)
angeordnet sind.

19) Einrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet,
daß das optische System (3 bis 7, 7') auf einem Führungsschlitten (16) angeordnet ist, der sich parallel
zur Grundplatte (1) bewegen läßt.

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20) Einrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die zu vermessende Flüssigkeit in einer Spritze (31) enthalten ist, die mit dem aus der Küvette (8) herausragenden Ende der Kanüle (10) verbindbar ist.

21) Einrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Spritze (31) einen Druckstift (33) zur Feineinstellung der Tropfengröße aufweist.

22) Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß als Medium im Küvetteninnenraum der Küvette (8) eine Flüssigkeit vorgesehen ist und daß durch die Kanüle (10) eine Flüssigkeit oder ein Gas zugeführt wird.

23) Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch . gekennzeichnet, daß als Medium in dem Küvetteninnenraum ein Gas vorgesehen ist und daß durch die Kanüle (10) eine Flüssigkeit zuführbar ist.

24) Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch

gekennzeichnet, daß der zu vermessende Tropfen auf einer ebenen Unterlage aufgebracht und in der optischen Achse

angeordnet ist.

25) Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß zur Auswertung des Bildes (34) des Tropfens (23) eine Schablone (Fig. 4) vorgesehen ist, die eine Grundplatte (41), auf der das Bild (34) in einer definierten Lage befestigbar ist^ und eine parallel zur

_.—. Längsachse der ,auf dem Bild (34) abgebildeten Kanüle (10)

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verschiebbare Winkelschiene (42), deren sich senkrecht zur Verschieberichtung erstreckender Schenkel (43) einen Meßschieber mit zwei in der Längsrichtung des Schenkels (43) verschiebbaren Schiebeteilen (44, 45), die an die gegenüberliegenden Außenlinien des auf dem Bild (34) abgebildeten Tropfens (23) schiebbar sind, aufweist, wobei im Bereich der Schiebeteile (44, 45)

--__-' ein zur Längsachse der Kanüle senkrecht verlaufender

/ Nonius (46) vorgesehen ist und wobei in der Verschieberichtung der Winkelschiene (42) ein weiterer Nonius

— ^ (47) angeordnet ist.

26) Einrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 25, dadurch ■" = " gekennzeichnet, daß die Grenzflächenspannung nach der

_;;5 Gleichung:^ = l/H 'ύζ · d|_B * 1/^γ2 * 8 £ mH/mJ : " oder nach der Gleichung:

_: . (3 = l/H 'ά f · ( -.-§! )2. 2 errechenbar

- . istund daß der Wert l/Hin Abhängigkeit von einer Größe

„;-· ... S = ^dmax bestimmbar ist, wobei d_max und d_min definierte "min

Radien des Tropfens (23) bezeichnen.

~27) Einrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, /.V-. - ' daß zur Auswertung eines einzelnen Tropfens das Ver- ' hältnis max nach der Bezeichnung: d . = dy« + d

min Kn

min

κ j.

bestimmt wird, wobei d^A den Kanülen-Außendur'chmesser und djQ den Kanülen-Innendurchmesser bezeichnen.

28) Einrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß zur halbautomatischen Bildauswertung die Hälfte

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( in Richtung der Längsachse gesehen) eines abgebildeten Tropfens (23) mit einem Densiometerscanner abgetastet und der Durchmesser d nach der Bezeichnung: ^dmax = ^dKA ^{+ d}KI + 2f (x_max) bestimmbar ist, wobei

^xmax ^{nach der} Bezeichnung: d_f + (*_max +^ x)<£ 0
ermittelt wird.

^dx

29) Einrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß zur Auswertung bei Austropfvorgängen das Verhältnis d_max dadurch ermittelbar ist, daß d_max nach der "min

Gleichung: d_max = d_KI + 2f (x_max) und d_min nach der Gleichung: d_m^_n = djrj - 2f (^x _min^ ermittelt werden, wobei die Bezeichnungen: d f (x_{min +}^_x)>₀ für x_min

■und d. _f (x_max + 4 X)^O für x_max gelten.

^dx

30) Einrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet daß zur halbautomatischen Auswertung der Hälfte (in

Richtung der Längsachse gesehen) eines abgebildeten
Tropfens (23) ein Densiometerscanner verwendet wird.

31) Einrichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rechner (36) vorgesehen ist, dem die einzelnen Größen der Gleichung: 6*·»
l/H '& € · d² _eB l/V² · g oder der Gleichung:
(5 = l/H ·Δ ^ · d_eJ3 )2 · d_K ² £"mN/m7 zur Berech-

^dKB

_ nung „von ß"eingebbar sind und daß die Werte l/H ~

für mögliche Verhältnisse d_max in einer Tabelle des

"min
Rechners (36) enthalten sind.

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