JP7041968B2 - Surface tension measuring method and surface tension measuring device - Google Patents
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Description
本発明は、表面張力測定方法および表面張力測定装置に関する。 The present invention relates to a surface tension measuring method and a surface tension measuring device.
液相と気相と間の界面張力である表面張力は、液体の粘性、流動性、濡れ性等と共に液体の重要な物性である。この表面張力の測定は、工学、農学、薬学等の多くの研究分野または生産現場で実施されている。表面張力とは、定温、定圧下で液体表面の表面積を変化させる時のギブズエネルギー変化、或いは、定温、定容量下でのヘルムホルツエネルギー変化、として定義される。表面張力の測定方法として従来から多くの測定方法が提案されている。但し、従来の表面張力の測定方法は、いずれも信頼性の点で不十分であり、表面張力の測定方法が確立しているとは言い難い。 Surface tension, which is the interfacial tension between the liquid phase and the gas phase, is an important physical property of the liquid as well as the viscosity, fluidity, and wettability of the liquid. This measurement of surface tension is carried out in many research fields such as engineering, agriculture, pharmacy, or at production sites. Surface tension is defined as a Gibbs energy change when the surface area of a liquid surface is changed under constant temperature and pressure, or a Helmholtz energy change under constant temperature and constant volume. As a method for measuring surface tension, many measuring methods have been conventionally proposed. However, all of the conventional methods for measuring surface tension are insufficient in terms of reliability, and it cannot be said that a method for measuring surface tension has been established.
従来の表面張力測定方法として、吊り板法(例えば非特許文献1参照)と、輪環法(例えば非特許文献2参照)と、が知られている。吊り板法は、広く普及している表面張力測定方法であり、白金プレートを被測定対象の液体に浸した際に、液体が白金プレートを引っ張り込もうとする方向に働く力を測定することによりその表面張力を測定する方法である。輪環法は、吊り板法と同様に、専用のリングを被測定対象の液体に浸し、その液体から離すときにリングと液面との間に形成された液体膜によりリングに働く力を測定することによりその液体の表面張力を測定する。これらの表面張力測定方法は、白金プレートまたはリングに働く力を捩り秤或いはバネ秤を用いて力学的に直接表面張力を測定する標準的な方法である。 As a conventional surface tension measuring method, a suspension plate method (see, for example, Non-Patent Document 1) and an annular method (see, for example, Non-Patent Document 2) are known. The suspension plate method is a widely used surface tension measuring method. When a platinum plate is immersed in a liquid to be measured, the force exerted by the liquid in the direction of pulling the platinum plate is measured. It is a method of measuring the surface tension. Similar to the suspension plate method, the ring method measures the force acting on the ring by the liquid film formed between the ring and the liquid surface when the special ring is immersed in the liquid to be measured and separated from the liquid. By doing so, the surface tension of the liquid is measured. These surface tension measuring methods are standard methods for directly measuring the surface tension of the force acting on the platinum plate or ring mechanically using a torsion scale or a spring scale.
また、表面張力測定方法としては、懸滴法が提供されている(例えば非特許文献3参照)。この懸滴法は、毛細管を使用して、毛細管の先端から懸垂した液滴の形状、体積から表面張力を算出する方法である。近年では液滴の画像測定から形状をより正確に測定する方法が報告されており、市販装置にも用いられている。 Further, as a surface tension measuring method, a suspension method is provided (see, for example, Non-Patent Document 3). This suspension method is a method of calculating the surface tension from the shape and volume of a droplet suspended from the tip of a capillary tube using a capillary tube. In recent years, a method for measuring the shape more accurately from the image measurement of a droplet has been reported, and it is also used in a commercially available device.
ところが、吊り板法、輪環法の場合、被測定対象の液体の動的な表面張力を測定する場合に時間を要する。また、吊り板法、輪環法の場合、白金プレート或いはリングが汚染されていたり、被測定対象の液体で濡れなかったりすると、測定誤差が大きくなる。また、これらの表面張力測定方法では、被測定対象の液体の液面を重力方向に引き延ばしたときの白金プレートまたはリングと被測定対象の液体との界面の相互作用を利用している。このため、被測定対象の液体の各部に作用する重力或いはその液体の粘性、粘弾性が測定誤差の原因になり易い。特に、被測定対象液体が、界面活性剤、高分子等の溶質を含む溶液、或いは、液面近傍に薄い液膜が形成された2相系の液体の場合、このような測定誤差が生じ易い。更に、吊り板法、輪環法を採用した測定装置では、測定精度向上のためにある程度の大きさの白金プレートまたはリングが必要となるため、その小型化が難しく、また、測定に使用する被測定対象の液体の量も少なくすることが難しい。輪環法は、現在、日本、アメリカ、ドイツ等の工業規格で指定されている表面張力測定方法であるが、得られた測定値に対して、リングと液面との間に形成された液体膜の形状に応じた補正が必要であるため、測定が難しい。また、懸滴法の場合、使用する細管の先端部の汚染の程度が測定精度に大きく影響してしまう。 However, in the case of the suspension plate method and the ring ring method, it takes time to measure the dynamic surface tension of the liquid to be measured. Further, in the case of the suspension plate method and the ring ring method, if the platinum plate or ring is contaminated or is not wet with the liquid to be measured, the measurement error becomes large. Further, these surface tension measuring methods utilize the interaction between the platinum plate or ring and the liquid to be measured when the liquid level of the liquid to be measured is stretched in the direction of gravity. Therefore, gravity acting on each part of the liquid to be measured or the viscosity and viscoelasticity of the liquid are likely to cause a measurement error. In particular, when the liquid to be measured is a solution containing a solute such as a surfactant or a polymer, or a two-phase liquid in which a thin liquid film is formed near the liquid surface, such a measurement error is likely to occur. .. Furthermore, in a measuring device that employs the suspension plate method or the ring ring method, a platinum plate or ring of a certain size is required to improve the measurement accuracy, so it is difficult to reduce the size of the platinum plate or ring, and it is difficult to reduce the size of the platinum plate or ring. It is also difficult to reduce the amount of liquid to be measured. The ring method is a surface tension measuring method currently specified by industrial standards such as Japan, the United States, and Germany. The liquid formed between the ring and the liquid level with respect to the obtained measured value. Measurement is difficult because correction is required according to the shape of the film. Further, in the case of the suspension method, the degree of contamination at the tip of the thin tube to be used greatly affects the measurement accuracy.
そこで、前述の吊り板法、輪環法および懸滴法におけるデメリットの解消を図った表面張力測定方法として、最大泡圧法が提供されている(例えば非特許文献4参照)。最大泡圧法では、鉛直方向に沿った姿勢で配置された円筒状の細管の先端を被測定対象の液体に浸漬した状態で細管内へ空気を供給する。そして、Young-Laplaceの関係式を用いて、細管の先端に生じる空気の泡が細管の先端から離脱するときの細管内の空気の圧力と細管の先端に生じる空気の泡が液体から受ける圧力との圧力差から、その液体の表面張力を算出する。被測定対象の液体に界面活性剤のような液体の表面張力を下げる働きを有する物質が含まれる場合、界面活性剤が液面に集まると液体の表面張力が動的に変化する。つまり、被測定対象の液体の濡れ性が経時的に変化する。最大泡圧法は、このような表面張力が動的に変化するような液体の表面張力の測定に有効である。 Therefore, the maximum foam pressure method is provided as a surface tension measuring method for eliminating the disadvantages of the above-mentioned suspension plate method, ring ring method, and suspension method (see, for example, Non-Patent Document 4). In the maximum foam pressure method, air is supplied into the thin tube in a state where the tip of the cylindrical thin tube arranged in a vertical direction is immersed in the liquid to be measured. Then, using the Young-Laplace relational expression, the pressure of the air inside the thin tube when the air bubble generated at the tip of the thin tube separates from the tip of the thin tube and the pressure received by the air bubble generated at the tip of the thin tube from the liquid. The surface tension of the liquid is calculated from the pressure difference of. When the liquid to be measured contains a substance such as a surfactant that has a function of lowering the surface tension of the liquid, the surface tension of the liquid changes dynamically when the surfactant collects on the liquid surface. That is, the wettability of the liquid to be measured changes with time. The maximum foam pressure method is effective for measuring the surface tension of a liquid in which the surface tension changes dynamically.
ところが、この最大泡圧法では、細管の先端に生じる空気の泡を半球状と仮定した場合のYoung-Laplaceの関係式を用いている。但し、細管の先端から離脱する直前において細管の先端に生じている空気の泡の形状は、被測定対象の液体と細管内壁との接触角が0度でない、即ち、厳密な半球状ではないことが多い。実際、被測定対象の液体の表面張力が大きく、細管の側壁がある程度の厚さを有する場合、細管の先端に生じる空気の泡が球状に近くなる場合もよくある。また、細管の内径が大きくなると細管の先端に生じる空気の泡の形状は回転楕円体形状になることも報告されている。従って、この最大法圧法では、予め正確な表面張力が判明している標準液体について測定した表面張力の測定値と被測定対象の液体の表面張力の測定値とを比較することにより被測定対象の液体の表面張力を算出する必要がある。このため、表面張力の測定にある程度の時間を要する。また、但し、被測定対象の液体の表面張力と標準液体の表面張力との差が大きい場合、細管の先端に生じる空気の泡の形状の違いが著しくなり、算出される表面張力の精度が低下してしまう。また、最大泡圧法により被測定対象の液体の動的な表面張力を測定する場合、細管内へ連続的に空気を供給して泡の生成および崩壊を繰り返し起こさせながら測定を行う。このとき、被測定対象の液体に生じる流れや振動により、細管の先端に生じる泡の崩壊が過度に促進され、算出される表面張力の誤差の原因となる虞がある。 However, in this maximum bubble pressure method, the Young-Laplace relational expression is used when the air bubbles generated at the tip of the thin tube are assumed to be hemispherical. However, the shape of the air bubbles generated at the tip of the thin tube immediately before leaving the tip of the thin tube is that the contact angle between the liquid to be measured and the inner wall of the thin tube is not 0 degrees, that is, it is not a strict hemisphere. There are many. In fact, when the surface tension of the liquid to be measured is high and the side wall of the thin tube has a certain thickness, the air bubbles generated at the tip of the thin tube often become nearly spherical. It has also been reported that when the inner diameter of the thin tube is increased, the shape of the air bubble generated at the tip of the thin tube becomes a spheroidal shape. Therefore, in this maximum method of pressure, the measured value of the surface tension measured for the standard liquid whose accurate surface tension is known in advance and the measured value of the surface tension of the liquid to be measured are compared with each other to measure the surface tension of the object to be measured. It is necessary to calculate the surface tension of the liquid. Therefore, it takes a certain amount of time to measure the surface tension. However, if the difference between the surface tension of the liquid to be measured and the surface tension of the standard liquid is large, the difference in the shape of the air bubbles generated at the tip of the thin tube becomes significant, and the accuracy of the calculated surface tension decreases. Resulting in. When measuring the dynamic surface tension of the liquid to be measured by the maximum foam pressure method, the measurement is performed while continuously supplying air into the capillary tube to repeatedly generate and disintegrate bubbles. At this time, the flow or vibration generated in the liquid to be measured may excessively promote the collapse of bubbles generated at the tip of the thin tube, which may cause an error in the calculated surface tension.
これに対して、被測定対象の液体にレーザ光を照射しその液体の液面で散乱した光から、その液体の表面に生じる表面張力波(リプロン)の波長を特定し、特定したリプロンの波長から算出されるリプロンの伝播速度に基づいてその液体の表面張力を算出する表面張力測定方法が提案されている(例えば非特許文献5参照)。また、被測定対象の液体の液面の微小領域におけるリプロンによる動的光散乱からその液体の表面張力を測定する表面張力測定方法も提案されている(例えば非特許文献6参照)。更に、被測定対象の液体に先端部を浸漬させた細管の側方からレーザ光を照射したときに生じる干渉パターンから細管の内径を特定し、細管内に侵入した被測定対象の液体の高さとその液体の密度と細管の内径とを用いて、その液体の表面張力を測定する表面張力測定方法も提案されている(例えば非特許文献7参照)。これらの表面張力測定方法は、表面張力の測定に要する時間を短縮でき且つ被測定対象の液体の動的な表面張力の測定もできる。 On the other hand, the wavelength of the surface tension wave (ripron) generated on the surface of the liquid is specified from the light scattered on the liquid surface of the liquid by irradiating the liquid to be measured with laser light, and the specified ripron wavelength. A surface tension measuring method for calculating the surface tension of the liquid based on the propagation velocity of the lipron calculated from the above has been proposed (see, for example, Non-Patent Document 5). Further, a surface tension measuring method for measuring the surface tension of a liquid to be measured from dynamic light scattering by a lipron in a minute region of the liquid surface of the liquid to be measured has also been proposed (see, for example, Non-Patent Document 6). Furthermore, the inner diameter of the thin tube is specified from the interference pattern generated when the laser beam is irradiated from the side of the thin tube whose tip is immersed in the liquid to be measured, and the height of the liquid to be measured that has penetrated into the thin tube is determined. A surface tension measuring method for measuring the surface tension of the liquid using the density of the liquid and the inner diameter of the thin tube has also been proposed (see, for example, Non-Patent Document 7). These surface tension measuring methods can shorten the time required for measuring the surface tension and can also measure the dynamic surface tension of the liquid to be measured.
また、被測定対象の液体をセルに閉じ込めた状態でセルの鉛直上方から光ビームを照射し、光ビームのセルへの入射角を変えながら、反射光または透過光の強度を測定することにより被測定対象の液体の表面張力を測定する表面張力測定方法が提案されている(例えば特許文献1参照)。 In addition, the light beam is irradiated from vertically above the cell with the liquid to be measured confined in the cell, and the intensity of the reflected light or transmitted light is measured while changing the angle of incidence of the light beam on the cell. A surface tension measuring method for measuring the surface tension of a liquid to be measured has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
しかしながら、非特許文献5、6に記載された表面張力測定方法において表面張力の測定精度を向上させるためには、散乱光を高精度に検出する必要がある。また、非特許文献7に記載された表面張力測定方法において表面張力の測定精度を向上させるためには、干渉パターンを高精度に検出する必要がある。従って、これらの表面張力測定方法では、散乱光または干渉パターンを高精度に検出するための複雑且つ大掛かりな測定系が必要となる。そうすると、測定系の調整等に時間を要し、表面張力の測定に長い時間を要する虞がある。また、特許文献1に記載された表面張力測定方法の場合、光ビームのセルへの入射角を変更しながら、反射光または透過光の強度を複数回測定する必要があるため、その分、表面張力の測定に要する時間が長くなってしまう。また、光ビームのセルへの入射角を変更するための機構が必要であるため、その分、測定系が複雑になってしまう。
However, in order to improve the measurement accuracy of the surface tension in the surface tension measuring method described in
本発明は上記事由に鑑みてなされたものであり、液体の表面張力を簡便且つ短時間で高精度に測定できる表面張力測定方法および表面張力測定装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above reasons, and an object of the present invention is to provide a surface tension measuring method and a surface tension measuring device capable of measuring the surface tension of a liquid easily and with high accuracy in a short time.
上記目的を達成するために、本発明に係る表面張力測定方法は、
円筒状の細管の筒軸方向の一端を少なくとも底壁が予め設定された波長帯域の光を透過させる液体貯留セルに貯留された被測定対象の液体に浸漬させた状態で、前記細管の他端から気体を供給することにより、前記細管の先端における前記細管内の気体と前記液体との界面にメニスカスを生じさせるメニスカス生成ステップと、
前記細管の筒軸方向の他端から前記一端に向けてレーザ光を入射させたときに、前記細管の前記他端から前記メニスカスおよび前記液体貯留セルの鉛直下方に配置されたレンズを透過する光について、前記レンズと前記細管の先端との間の光学的な第1距離と、前記レンズの焦点位置と前記レンズとの間の光学的な第2距離と、を算出する距離算出ステップと、
前記第1距離と前記第2距離とに基づいて、前記メニスカスの曲率半径を算出する曲率半径算出ステップと、
前記メニスカスにおける前記細管内に供給された気体から加わる圧力と、前記メニスカスにおける前記液体から加わる圧力と、前記メニスカスの曲率半径と、から前記液体の表面張力を算出する表面張力算出ステップと、を含む。
In order to achieve the above object, the surface tension measuring method according to the present invention is:
The other end of the thin tube is immersed in the liquid to be measured stored in the liquid storage cell whose bottom wall transmits light in a preset wavelength band at least at one end of the cylindrical thin tube in the tubular axis direction. A meniscus generation step of forming a meniscus at the interface between the gas in the thin tube and the liquid at the tip of the thin tube by supplying a gas from the tube.
When a laser beam is incident from the other end of the thin tube in the tubular axis direction toward the one end, the light transmitted from the other end of the thin tube through the lens arranged vertically below the meniscus and the liquid storage cell. A distance calculation step for calculating an optical first distance between the lens and the tip of the thin tube, and an optical second distance between the focal position of the lens and the lens.
A radius of curvature calculation step for calculating the radius of curvature of the meniscus based on the first distance and the second distance,
A surface tension calculation step of calculating the surface tension of the liquid from the pressure applied from the gas supplied into the capillary tube in the meniscus, the pressure applied from the liquid in the meniscus, and the radius of curvature of the meniscus is included. ..
他の観点から見た本発明に係る表面張力測定装置は、
被測定対象の液体を貯留し、少なくとも底壁が予め設定された波長帯域の光を透過させる液体貯留セルと、
円筒状であり筒軸方向の一端が前記液体に浸漬した状態で配置される細管と、
前記細管の鉛直上方に配置され前記細管の内径よりも小さい径の第1ピンホールが設けられた第1アパーチャと、
前記細管の筒軸方向における他端から気体を供給する気体供給部と、
前記細管の先端の鉛直下方に配置されたレンズと、
前記細管の先端における前記細管内の気体と前記液体との界面にメニスカスが生じた状態で、前記細管の筒軸方向の他端から前記一端に向けてレーザ光を入射させたときに、前記細管の前記他端から前記第1ピンホール、前記メニスカスおよび前記レンズを透過する光について、前記レンズと前記細管の先端との間の光学的な第1距離と、前記レンズから放射される光の焦点位置と前記レンズとの間の光学的な第2距離と、を算出する距離算出部と、
前記メニスカスにおける前記細管内に供給された気体から加わる圧力と、前記メニスカスにおける前記液体から加わる圧力と、前記メニスカスの曲率半径と、から前記液体の表面張力を算出する表面張力算出部と、を備える。
The surface tension measuring device according to the present invention from another viewpoint is
A liquid storage cell that stores the liquid to be measured and at least the bottom wall transmits light in a preset wavelength band.
A thin tube that is cylindrical and has one end in the axial direction immersed in the liquid.
A first aperture arranged vertically above the thin tube and provided with a first pinhole having a diameter smaller than the inner diameter of the thin tube.
A gas supply unit that supplies gas from the other end of the thin tube in the tubular axis direction,
A lens placed vertically below the tip of the thin tube,
When a laser beam is incident from the other end of the thin tube in the tubular axial direction toward the one end in a state where a meniscus is generated at the interface between the gas in the thin tube and the liquid at the tip of the thin tube, the thin tube is formed. For light transmitted through the first pinhole, the meniscus, and the lens from the other end of the lens, the first optical distance between the lens and the tip of the thin tube, and the focal point of the light emitted from the lens. A distance calculation unit that calculates the optical second distance between the position and the lens, and
It includes a surface tension calculation unit that calculates the surface tension of the liquid from the pressure applied from the gas supplied into the thin tube in the meniscus, the pressure applied from the liquid in the meniscus, and the radius of curvature of the meniscus. ..
本発明によれば、メニスカス生成ステップにおいて、液体貯留セルに貯留された被測定対象の液体に浸漬させた細管の先端にメニスカスを生じさせ、距離算出ステップにおいて、細管の筒軸方向の他端から光を入射した場合にメニスカスおよびレンズを透過する光について、第1距離と第2距離とを測定する。そして、曲率半径算出ステップにおいて、第1距離と第2距離とに基づいて、メニスカスの曲率半径を算出し、表面張力算出ステップにおいて、メニスカスの曲率半径を用いて液体の表面張力を算出する。このように、液体貯留セル、細管およびレンズを含む簡素な構成を用いて、第1距離と第2距離とを測定するだけで被測定対象の液体の表面張力を算出することができるので、簡便且つ短時間で液体の表面張力を測定することができる。また、細管の先端に生じるメニスカスの曲率半径を光学的に直接算出し、算出したメニスカスの曲率半径を用いて液体の表面張力を算出するので、最大泡圧法に比べて測定精度が高いという利点もある。 According to the present invention, in the meniscus generation step, meniscus is generated at the tip of the thin tube immersed in the liquid to be measured stored in the liquid storage cell, and in the distance calculation step, from the other end of the thin tube in the tubular axis direction. The first distance and the second distance are measured for the light transmitted through the meniscus and the lens when the light is incident. Then, in the step of calculating the radius of curvature, the radius of curvature of the meniscus is calculated based on the first distance and the second distance, and in the step of calculating the surface tension, the surface tension of the liquid is calculated using the radius of curvature of the meniscus. As described above, using a simple configuration including a liquid storage cell, a thin tube, and a lens, the surface tension of the liquid to be measured can be calculated simply by measuring the first distance and the second distance, which is convenient. Moreover, the surface tension of the liquid can be measured in a short time. In addition, since the radius of curvature of the meniscus generated at the tip of the thin tube is directly calculated optically and the surface tension of the liquid is calculated using the calculated radius of curvature of the meniscus, there is an advantage that the measurement accuracy is higher than that of the maximum foam pressure method. be.
以下、本発明の実施の形態に係る表面張力測定装置について、図面を参照しながら説明する。本実施の形態に係る表面張力測定装置は、図1に示すように、表面張力測定ユニット10と、レーザ光源41と、アナログディジタル変換部(以下、「ADC」と称する。)32と、処理部51と、を備える。また、表面張力測定装置は、レーザ光源41から出射されるレーザ光のビーム径を調整するためのピンホール42aが設けられたアパーチャ42と、レーザ光源41から出射されるレーザ光を表面張力測定ユニット10へ導くためのミラー61、62を備える。レーザ光源41から出射したレーザ光は、光軸J1に沿って進行する。レーザ光源41は、例えば半導体レーザ或いはHe-Neレーザである。
Hereinafter, the surface tension measuring device according to the embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. As shown in FIG. 1, the surface tension measuring device according to the present embodiment includes a surface
表面張力測定ユニット10は、光学セル11と、細管13と、液体貯留セル14と、気体供給部である空気供給部81と、レンズ15と、レンズホルダ71と、レンズ駆動部72と、第1アパーチャであるアパーチャ21と、第2アパーチャであるアパーチャ22と、ミラー63と、光検出器31と、を備える。レーザ光源41から出射されミラー61、62により反射されて表面張力測定ユニット10へ導入されたレーザ光は、アパーチャ21を通って光学セル11内に配置された細管13へ入射する。空気供給部81は、供給管82を介して光学セル11へ空気を供給することにより光学セル11および細管13内を加圧する。
The surface
レンズホルダ71は、レンズ15を保持する。レンズ駆動部72は、レンズ15を予め設定された原点位置から光軸J1に沿って移動させる(矢印AR1参照)。具体的には、レンズ駆動部72は、処理部51から入力される制御情報に応じて、レンズホルダ71を光軸J1に沿った方向へ駆動する。レンズ駆動部72は、例えばマイクロメータをモータで駆動する機構を有し、レンズ15の光軸J1方向の位置を微動させることができる。また、レンズ駆動部72は、レンズ15の原点位置Pos10に対する相対的な位置を示すレンズ位置情報を生成して処理部51へ送信する。レンズ駆動部72は、例えばレンズ15が原点位置Pos10にある状態からのマイクロメータの回転数と回転方向とからレンズ位置情報を生成する。なお、レンズ駆動部72は、例えばレンズホルダ71に光軸J1に沿って固定されたラックギアと、ラックギアに噛合しモータにより回動するピニオンギアと、を備える構成であってもよい。この場合、レンズ駆動部72は、例えばレンズ15が原点位置Pos10にある状態からのラックギアの変位を検出してレンズ位置情報を生成するようにすればよい。
The
光学セル11は、図2に示すように、筒状の本体部111と、透光性を有する窓部114と、本体部111の上方に取り付けられた蓋体112と、を有する。本体部111は、円筒状の主部1111と、主部1111よりも小径の円筒状の小径部1112と、を有する。主部1111には、主部1111内へ空気(矢印A参照)を導入するための空気導入口113が設けられている。空気導入口113は、図1に示すように、供給管82を通じて空気供給部81に接続されている。蓋体112は、有底円筒状であり、底壁にレーザ光LA1を本体部111内へ導入するための開口部112aが設けられている。窓部114は、例えば透明なガラスまたは樹脂から形成され、主部1111の上方と蓋体112の底壁との間に介在している。窓部114の周部と蓋体112の底壁との間には、Oリング115が介在している。
As shown in FIG. 2, the
細管13は、長尺の円筒状であり、筒軸方向の一端である下端が液体Sに浸漬した状態で配置されている。そして、細管13の筒軸方向の他端である上端からレーザ光LA1が入射する。細管13は、細管13と小径部1112の内壁との間に介在するOリング116を介して小径部1112に固定されている。細管13は、例えばガラス、金属または樹脂から形成されている。細管13の下端において、細管13内の空気と液体Sとの界面にメニスカスMが生じた状態となっている。
The
アパーチャ21は、細管13の鉛直上方に配置されている。アパーチャ21には、第1ピンホールであるピンホール21aが設けられている。ピンホール21aは、平面視円形であり、その直径が細管13の内径よりも小さい。
The
液体貯留セル14は、被測定対象の液体Sを貯留する。液体貯留セル14は、透明なガラスまたは樹脂から有底筒状に形成され、その周壁全体が可視光の波長帯域の光を透過させる。なお、液体貯留セル14の周壁全体が透明である必要はなく、少なくとも底壁がレーザ光LA1を透過させるものであればよい。例えばレーザ光LA1の波長帯域が640nm乃至790nmの波長帯域に設定されている場合、底壁がこの波長帯域よりも長い波長帯域の光を透過するが640nmよりも短い波長帯域の光に対しては透過率が低くなっているものであってもよい。更に、液体貯留セル14は、例えば液体Sの温度を一定に維持する温度調節器(図示せず)を備えるものであってもよい。
The
空気供給部81は、光学セル11内へ空気を供給することにより、細管13の上端から細管13内へ空気を供給する。空気供給部81は、処理部51から受信する制御情報に含まれる圧力情報に基づいて、光学セル11および細管13内の空気の圧力が圧力情報の示す圧力まで光学セル11および細管13内へ空気を供給する。空気供給部81は、例えば光学セル11および細管13内の空気の圧力を計測するマノメータを備えている。そして、空気供給部81は、マノメータが示す圧力値が圧力情報の示す圧力値と等しくなるように光学セル11および細管13内へ供給する空気の量を調節している。空気供給部81は、例えばシリンジポンプにより空気を光学セル11および細管13へ供給する構成であってもよい。また、空気供給部81は、マノメータの代わりに、圧力センサにより光学セル11内の空気の圧力を計測する構成であってもよい。
The
レンズ15は、例えば凸レンズであり、細管13の先端、即ち、細管13の下端の鉛直下方に配置されている。
The
光検出器31は、例えばSiフォトダイオード或いはGeフォトダイオード、光電子増倍管であり、レンズ15を透過したレーザ光LA3を検出する。光検出器31は、受光した光の強度に応じたアナログ信号をADC32へ出力する。アパーチャ22は、レンズ15を透過し光検出器31に入射する光の光軸J1上に配置され、第2ピンホールであるピンホール22aが設けられている。アパーチャ22のピンホール22aを通過したレーザ光LA3が光検出器31の受光部へ入射する。
The
図1に戻って、ADC32は、光検出器31から入力されるアナログ信号をディジタル信号に変換して、処理部51へ出力する。
Returning to FIG. 1, the
処理部51は、例えばパーソナルコンピュータであり、レンズ駆動部72および空気供給部81へ制御情報を送信する。また、処理部51は、ADC32から入力されるディジタル信号およびレンズ駆動部72から入力されるレンズ位置情報に基づいて、被測定対象の液体の表面張力を算出する。処理部51は、例えば図3に示すように、CPU(Central Processing Unit)511と主記憶部512と補助記憶部513と入力部514と表示部515と通信インタフェース(以下、「I/F」と称する。)516とADCI/F517と各部を接続するバス518とを備える。主記憶部512は、RAM(Random Access Memory)等の揮発性メモリから構成される。このメモリはCPU511の作業領域として用いられる。補助記憶部513は、磁気ディスク、半導体メモリ等の不揮発性メモリを有している。補助記憶部513は、CPU511が実行するプログラムおよび各種パラメータ等を記憶している。入力部514は、例えばキーボードである。表示部515は、例えば液晶ディスプレイである。通信I/F516は、空気供給部81とレンズ駆動部72とに接続されている。ADCI/F517は、ADC32に接続されている。
The
補助記憶部513は、表面張力測定に必要な初期パラメータを記憶する初期パラメータDB5131を有する。初期パラメータDB5131は、図2に示す距離h、L10、L20それぞれを示す情報を記憶する。ここで、hは、被測定対象の液体Sの液面から細管13の下端までの距離である。L10は、細管13の下端からレンズ15の原点位置Pos10までの光学的な距離であり、L20は、レンズ15の原点位置Pos10からアパーチャ22までの光学的な距離である。ここで、原点位置Pos10は、レンズ15が原点位置にある状態でのレンズ15の細管13側の平坦面と光軸J1との交点として定義している。また、初期パラメータDB5131は、レンズ15の焦点距離を示す情報を記憶する。更に、初期パラメータDB5131は、被測定対象の液体Sの屈折率を示す情報と、液体貯留セル14の周壁の屈折率および厚さを示す情報と、被測定対象の液体Sの密度を示す情報と、重力加速度を示す情報と、を記憶する。これらの情報は、ユーザが入力部514を介して数値を入力することにより初期パラメータDB5131に記憶される。
The
CPU511は、補助記憶部513が記憶するプログラムを主記憶部512に読み込んで実行することにより、加圧制御部5111、駆動制御部5112、強度位置取得部5113、距離算出部5114および表面張力算出部5115として機能する。加圧制御部5111は、光学セル11内の空気の圧力を示す圧力情報を含む制御情報を空気供給部81へ送信する。そして、加圧制御部5111は、送信した制御情報に含まれる圧力情報を、表面張力算出部5115へ通知する。
The
駆動制御部5112は、レンズ15を光軸J1に沿って移動させる際の移動方向と移動距離を示す情報を含む制御情報をレンズ駆動部72へ送信する。また、駆動制御部5112は、レンズ15を光軸J1に沿って掃引させる動作を開始する際、掃引開始位置を含む制御情報をレンズ駆動部72へ送信する。
The
強度位置取得部5113は、レンズ15およびピンホール22aを透過し光検出器31により検出される光の強度とレンズ15の原点位置Pos10に対する相対的な位置とを取得する。強度位置取得部5113は、光検出器31で受光するレーザ光の強度をADC32からADCI/F517を介して取得するとともに、レンズ15の原点位置Pos10に対する相対的な位置を示すレンズ位置情報をレンズ駆動部72から取得する。
The intensity
距離算出部5114は、細管13の上端からピンホール21a、メニスカスMおよびレンズ15を透過するレーザ光LA1、LA2、LA3光について、図2に示す第1距離L1と第2距離L2とを算出する。第1距離L1は、レンズ15と細管13の下端との間の光学的な距離であり、第2距離L2は、レンズ15を透過したレーザ光LA2の焦点位置とレンズ15との間の光学的な距離である。距離算出部5114は、強度位置取得部5113が取得した光の強度が最大になるときのレンズ15の原点位置Pos10に対する相対的な位置から、第1距離L1および第2距離L2を算出する。ここで、距離算出部5114は、初期パラメータDB5131が記憶する距離h、L10、L20を示す情報を参照する。また、距離算出部5114は、算出した第1距離L1、第2距離L2を示す情報を、表面張力算出部5115へ通知する。
The
表面張力算出部5115は、メニスカスMにおける細管13内に供給された空気から加わる圧力と、メニスカスMにおける液体Sから加わる圧力と、メニスカスMの曲率半径と、から液体Sの表面張力を算出する。表面張力算出部5115は、後述するYoung-Laplaceの関係式を用いて、距離算出部5114により算出された第1距離L1、第2距離L2と距離hとから被測定対象の液体Sの表面張力を算出する。
The surface
次に、本実施の形態に係る表面張力測定装置で採用される表面張力測定方法について説明する。本実施の形態に係る表面張力測定方法では、まず、細管13の下端を液体貯留セル14に貯留された被測定対象の液体Sに浸漬させた状態で、細管13の上端から空気を供給することにより、細管13の先端における細管13内の空気と液体Sとの界面にメニスカスMを生じさせる(メニスカス生成ステップ)。メニスカスMは、細管13内を伝播するレーザ光LA1に対して凹レンズとして機能する。即ち、図4に示すように、細管13内を伝播するレーザ光LA1は、メニスカスMで屈折してから被測定対象の液体S中を伝播する。
Next, the surface tension measuring method adopted in the surface tension measuring device according to the present embodiment will be described. In the surface tension measuring method according to the present embodiment, first, air is supplied from the upper end of the
次に、細管13の上端からメニスカスMおよびレンズ15を透過するレーザ光LA1、LA2、LA3について、第1距離L1と第2距離L2とを算出する(距離算出ステップ)。ここで、第1距離L1、第2距離L2は、それぞれレンズ15を透過したレーザ光LA3の焦点位置がアパーチャ22のピンホール22aに略一致した状態における、細管13の下端とレンズ15との間の距離、レンズ15とアパーチャ22との間の距離に相当する。
Next, the first distance L1 and the second distance L2 are calculated for the laser beams LA1, LA2, and LA3 that pass through the meniscus M and the
続いて、第1距離L1と第2距離L2とに基づいて、メニスカスMの曲率半径を算出する(曲率半径算出ステップ)。ここでは、まず、下記式(1)を用いて、算出した第1距離L1、第2距離L2と、レンズ15の焦点距離と、に基づいて、図4に示すメニスカスMの焦点距離f1を算出する。
次に、下記式(2)を用いて、メニスカスMの焦点距離f1からメニスカスMの曲率半径を算出する。
その後、メニスカスMにおける細管13内に供給された空気から加わる圧力と、メニスカスMにおける液体Sから加わる圧力と、メニスカスMの曲率半径Rと、から液体Sの表面張力を算出する(表面張力算出ステップ)。具体的には、下記式(3)で表されるYoung-Laplaceの式を用いて液体Sの表面張力を算出する。
このように、本実施の形態に係る表面張力測定方法では、細管13の下端における細管13内の空気と液体Sとの界面に生じるメニスカスMの曲率半径Rを光学的に算出することにより液体Sの表面張力を算出する。
As described above, in the surface tension measuring method according to the present embodiment, the liquid S is obtained by optically calculating the radius of curvature R of the meniscus M generated at the interface between the air and the liquid S in the
ところで、細管13の内径は、メニスカスMにおけるレーザ光LA1の屈折角に基づいて決定される。細管13の内径が大きくなると、それに伴い、メニスカスMの曲率半径Rが大きくなり、レーザ光LA1の屈折角が小さくなる。そうすると、メニスカスMとレンズ15とで構成される光学系のレンズ15の焦点位置とレンズ15との間の第2距離L2と、レンズ15の焦点距離と、の距離差が小さくなる。そして、この距離差が、レンズ15の光軸J1に沿った方向への移動距離の分解能以下になると、第1距離L1、第2距離L2の精度が低下してしまう。従って、メニスカスMにおけるレーザ光LA1の屈折角は、上記距離差が少なくともレンズ15の移動距離の分解能よりも大きくなる角度にする必要がある。そこで、細管13の内径は、入射するレーザ光LA1の屈折角が、上記距離差が少なくともレンズ15の移動距離の分解能よりも大きくなる角度となるメニスカスMを生じさせる大きさに設定されている。
By the way, the inner diameter of the
また、メニスカスMは、細管13の内壁近傍において細管13の内壁と液体Sとの相互作用の影響により、その細管13の筒軸近傍での曲率半径と異なる曲率半径を有することが多い。これに対して、本実施の形態に係る表面張力測定装置では、前述のように、アパーチャ21のピンホール21aの直径が細管13の内径2rに比べて小さい。そして、細管13内を伝播するレーザ光LA1のビーム径Dが、細管13の内径2rに比べて小さくなっている。即ち、メニスカスMおける細管13の筒軸を中心とした細管13の内径よりも小さい径の平面視円形の投影領域と、レンズ15と、を透過するレーザ光LA3について、第1距離L1と第2距離L2とを算出する。これにより、細管13の内壁と液体Sとの相互作用によるメニスカスMの曲率半径への影響を排除することができる。従って、液体Sについて高い精度で表面張力を算出することができる。
Further, the meniscus M often has a radius of curvature different from the radius of curvature in the vicinity of the tubular axis of the
次に、本実施の形態に係る表面張力測定装置が実行する表面張力測定処理について図5を参照しながら説明する。なお、この表面張力測定処理は、ユーザが入力部514を操作して表面張力測定処理を実行するアプリケーションを起動した後、入力部514から表面張力測定処理の実行を開始させるための操作を行ったことを契機として開始される。また、この表面張力測定処理の実行開始時において、予め処理部51の加圧制御部5111が空気供給部81へ制御情報を送信し、空気供給部81が、光学セル11および細管13内へ空気を供給することにより、細管13内の空気の圧力を予め設定された圧力に調節しているものとする。
Next, the surface tension measuring process executed by the surface tension measuring device according to the present embodiment will be described with reference to FIG. In this surface tension measurement process, after the user operates the
表面張力測定装置は、まず、レンズ15の相対的な位置を光軸J1に沿って掃引することにより、光検出器31により検出されるレーザ光LA2の強度が最大となるレンズ15の位置を特定する。このために、表面張力測定装置は、まず、レンズ15を予め設定された掃引開始位置へ移動させる(ステップS101)。具体的には、処理部51の駆動制御部5112が、レンズ15の掃引開始位置を示す情報を含む制御情報を、レンズ駆動部72へ送信する。そして、レンズ駆動部72が、受信した制御情報に基づいて、レンズ15を掃引開始位置へ移動させる。
The surface tension measuring device first sweeps the relative position of the
次に、表面張力測定装置は、光検出器31により検出されるレーザ光LA3の強度を取得する(ステップS102)。具体的には、処理部51の強度位置取得部5113が、光検出器31からADC32を介してレーザ光LA3の強度を示す強度情報を取得する。また、強度位置取得部5113は、取得した強度情報を主記憶部512に記憶させる。
Next, the surface tension measuring device acquires the intensity of the laser beam LA3 detected by the photodetector 31 (step S102). Specifically, the intensity
続いて、表面張力測定装置は、レンズ15の相対的な位置を示すレンズ位置情報をレンズ駆動部72から取得する(ステップS103)。具体的には、処理部51の強度位置取得部5113が、レンズ駆動部72からレンズ位置情報を取得する。また、強度位置取得部5113は、取得したレンズ位置情報を強度情報に対応づけて主記憶部512に記憶させる。
Subsequently, the surface tension measuring device acquires lens position information indicating the relative position of the
その後、表面張力測定装置は、レンズ15の位置が予め設定された掃引終了位置であるか否かを判定する(ステップS104)。表面張力測定装置は、レンズ15の位置が掃引終了位置でないと判定すると(ステップS104:No)、予め設定された距離だけ掃引終了位置へ向かってレンズ15を移動させる(ステップS105)。具体的には、処理部51の駆動制御部5112が、予め設定されたレンズ15の移動方向と移動距離を示す情報を含む制御情報をレンズ駆動部72へ送信する。そして、レンズ駆動部72が、受信した制御情報に基づいて、掃引終了位置に向かって予め設定された距離だけレンズ15を移動させる。次に、表面張力測定装置は、再びステップS102の処理を実行する。
After that, the surface tension measuring device determines whether or not the position of the
一方、表面張力測定装置は、レンズ15の位置が予め設定された掃引終了位置であると判定したとする(ステップS104:Yes)。この場合、表面張力測定装置は、光検出器31が検出するレーザ光LA3の強度が最大となるレンズ位置を特定する(ステップS106)。具体的には、処理部51の距離算出部5114が、主記憶部512が記憶する強度情報およびレンズ位置情報を参照して、最大強度を示す強度情報に対応するレンズ位置情報を特定する。
On the other hand, it is assumed that the surface tension measuring device determines that the position of the
続いて、表面張力測定装置は、レンズ15が特定したレンズ位置にある場合の距離L1、L2を算出する(ステップS107)。具体的には、処理部51の距離算出部5114が、特定したレンズ位置と、初期パラメータDB5131が記憶する距離L10および距離L20と、から第1距離L1および第2距離L2を算出する。
Subsequently, the surface tension measuring device calculates the distances L1 and L2 when the
その後、表面張力測定装置は、算出した第1距離L1および第2距離L2と、メニスカスMにおける細管13内の空気から加わる圧力と、メニスカスMにおける液体Sから加わる圧力と、から液体Sの表面張力を算出する(ステップS108)。
After that, the surface tension measuring device receives the calculated first distance L1 and second distance L2, the pressure applied from the air in the
次に、本実施の形態に係る表面張力測定装置を使用して表面張力を測定した結果について説明する。まず、被測定対象の液体Sが、20℃の純水の場合の測定結果について説明する。ここで、細管13として、内径(2r)が0.92mmのガラス細管を用い、細管13の先端部の液体貯留セル14に貯留された液体Sの液面からの距離(h)を5mmとした。レーザ光源41には、発振波長650nm、ビーム径0.9mmの半導体レーザを採用した。光検出器31には、Siフォトダイオードを採用した。アパーチャ21には、ピンホール21aの径が0.8mmのものを採用した。これにより、レーザ光LA1に含まれる散乱光を除去するとともに、レーザ光LA1のビーム径Dを0.8mm程度に絞ることができる。そして、細管13内の空気の圧力を変更したときの、細管13の先端部に生じるメニスカスMの曲率半径と、細管13内の空気の圧力とメニスカスMの曲率半径とから算出される表面張力と、の関係を図6Aに示す。なお、図6Aにおいて、左側の縦軸はメニスカスMの曲率半径を示し、右側の縦軸は表面張力を示す。横軸は、細管13内の空気の圧力Pと細管13の先端部に生じる空気の泡が液体Sから受ける圧力Psとの圧力差(以下、単に「圧力差」と称する。)を示す。また、メニスカスMの曲率半径が最小のときの細管13の先端の写真を図6Bに示す。更に、細管13内の空気の圧力が細管13の先端から空気の泡が離脱する圧力(最大泡圧)近傍の場合の細管13の先端の写真を図6Cに示す。
Next, the result of measuring the surface tension using the surface tension measuring device according to the present embodiment will be described. First, the measurement result when the liquid S to be measured is pure water at 20 ° C. will be described. Here, as the
図6Aに示す結果から、メニスカスMの曲率半径の最小値は、細管13の内径の約1/2となっている。このことから、光学的な測定方法を用いてメニスカスMの曲率半径を測定することができることが判った。また、メニスカスMの曲率半径が細管13の内径の約1/2となるときの圧力差(約312Pa)において、細管13の先端部に生じるメニスカスMの曲率半径Rが最小となる。但し、圧力差を、約312Paよりも大きくしていくと、メニスカスMの曲率半径が漸増していく。また、図6Cに示すように、圧力差が約318Pa近傍、即ち、細管13内の空気の圧力が最大泡圧近傍の場合、メニスカスMの形状が半球状ではなく、細管13の内壁と液体Sとの間の接触角(図4のθ1参照)が0度よりも大きくなっている。なお、メニスカスMの形状が半球状である場合、接触角は0度となる。図6Aの結果は、圧力差が312Paに近づくにつれてメニスカスMの形状が半球状に近づき、圧力差が312Pa近傍になるとメニスカスMの形状が略半球状になる。そして、圧力差が312Paよりも大きくなると、略半球状のメニスカスMの形状が崩れていくことを反映しているものと考えられる。このことから、前述の最大泡圧法のように、細管13内の空気の圧力が最大泡圧の場合においてメニスカスMの形状を半球状と近似する表面張力測定方法では、表面張力の測定値の誤差が大きくなると考えられる。
From the results shown in FIG. 6A, the minimum value of the radius of curvature of the meniscus M is about ½ of the inner diameter of the
また、20℃における純水の表面張力の信頼できる文献値は、72.75mN/mである。これに対して、本実施の形態に係る表面張力測定装置を用いて測定した結果は、図6Aに示すように、圧力差が280Pa乃至312Paにおいて、算出される表面張力の文献値に対する誤差は1%程度に抑えられている。また、細管13内の空気の圧力Pが比較的低く、メニスカスMの曲率半径が細管13の内径の1/2より大きい場合、表面張力の測定値は、72.5mN/m前後で略一定である。これは、細管13の内径が0.92mmに対して、レーザ光LA1のビーム径が約0.8mmと小さいため、細管13の内壁と被測定対象の液体Sとの間での相互作用が極めて小さく、この相互作用の表面張力の測定値への影響が極めて小さいためと考えられる。即ち、メニスカスMのうち、細管13内の空気の圧力により変形を受けている部分の曲率半径を選択的に算出できていることにより、Young-Laplaceの式を適用できる条件が良く再現できており、表面張力の測定精度が向上していると考えられる。
The reliable literature value of the surface tension of pure water at 20 ° C. is 72.75 mN / m. On the other hand, as a result of measurement using the surface tension measuring device according to the present embodiment, as shown in FIG. 6A, when the pressure difference is 280 Pa to 312 Pa, the error of the calculated surface tension with respect to the document value is 1. It is suppressed to about%. Further, when the pressure P of the air in the
一方、細管13内の空気の圧力Pを大きくしていき、圧力差(P-Ps)が、メニスカスMが比較的安定して形成される最大の圧力差(318Pa近傍)になると、表面張力の測定値が75mN/m程度となり文献値との誤差が3乃至4%程度になった。これは、メニスカスMの曲率半径が小さくなり、メニスカスMについて薄レンズとしての近似が成立しなくなり、メニスカスMの球面収差の影響が出ているものと考えられる。このメニスカスMの球面収差の影響を低減するには、細管13の内径に対するレーザ光LA1のビーム径の比率を小さくすることが好ましい。以上より、本実施の形態に係る表面張力測定装置では、細管13の内径に対するレーザ光LA1のビーム径の比率をできるだけ小さくするとともに、圧力差(P-Ps)をできるだけ小さくしてメニスカスMの曲率半径をできるだけ大きくすることが好ましい。
On the other hand, when the pressure P of the air in the
次に、被測定対象の液体Sが、純水以外の他の種類の液体の場合の測定結果について説明する。複数種類の被測定対象の液体Sの名称と、表面張力の算出に使用した屈折率、密度と、圧力差と、曲率半径と、算出した表面張力と、を表1に示す。表1において、屈折率、密度は実測値を示している。ただし、二硫化炭素については文献値を用いている。また、液体貯留セル14の周囲の温度を20℃に調節した。
Next, the measurement result when the liquid S to be measured is a liquid of a type other than pure water will be described. Table 1 shows the names of a plurality of types of liquids S to be measured, the refractive index and density used to calculate the surface tension, the pressure difference, the radius of curvature, and the calculated surface tension. In Table 1, the refractive index and the density show the measured values. However, the literature values are used for carbon disulfide. Further, the temperature around the
表1に示すように、被測定対象の液体Sが純水に比べて表面張力が比較的小さいトルエンの場合、表面張力が28.5mN/mと算出され、表面張力の文献値が28.52mN/mと略一致した。なお、細管13の内壁と液体Sとの間の接触角は0度よりも大きく、半球状でないメニスカスMが観測された。
As shown in Table 1, when the liquid S to be measured is toluene whose surface tension is relatively smaller than that of pure water, the surface tension is calculated to be 28.5 mN / m, and the document value of the surface tension is 28.52 mN. It almost matched with / m. The contact angle between the inner wall of the
また、表1に示すように、被測定対象の液体Sが、ドデシル硫酸ナトリウム(以下、「SDS」と称する。)水溶液の場合、表面張力が47.8mN/mと算出され、表面張力の文献値48.2mN/mに対する誤差は1%以内であった。なお、SDS水溶液中のSDSのモル濃度は、5×10-3Mとした。また、文献値は、輪環法により得られた値である。このSDS水溶液は、表面張力が純水の表面張力とトルエンの表面張力との間の大きさである、陰イオン性の界面活性剤である。このSDS水溶液は、表面張力が小さく、細管13の先端部に生じた空気の泡が細管13の先端から離脱し易い。実際、細管13の内壁と液体Sとの間の接触角は0度よりも大きく、半球状でないメニスカスMが観測された。従って、メニスカスMが半球状であると近似する最大泡圧泡の場合、算出される表面張力の誤差が大きくなる。これに対して、本実施の形態に係る表面張力測定装置では、メニスカスMが半球状でなくても表面張力を算出することができるので、前述のように高い精度で表面張力を算出することができる。Further, as shown in Table 1, when the liquid S to be measured is an aqueous solution of sodium dodecyl sulfate (hereinafter referred to as “SDS”), the surface tension is calculated to be 47.8 mN / m, and the surface tension document The error with respect to the value of 48.2 mN / m was within 1%. The molar concentration of SDS in the SDS aqueous solution was 5 × 10 -3 M. The literature values are values obtained by the ring method. This SDS aqueous solution is an anionic surfactant whose surface tension is between the surface tension of pure water and the surface tension of toluene. This SDS aqueous solution has a small surface tension, and air bubbles generated at the tip of the
更に、表1に示すように、被測定対象の液体Sが、トルエン以外の有機溶媒であるベンゼン、ヘキサデカン、ヘキサン、トルエンの場合でも文献値に対する表面張力の算出値の誤差は1%以内であった。このように本実施の形態に係る表面張力測定装置によれば、表面張力が比較的小さく、細管13の内壁と液体Sとの間の接触角は0度よりも大きく、半球状でないメニスカスMが生じる液体Sであっても精度良く表面張力を測定することができることが判った。
Further, as shown in Table 1, even when the liquid S to be measured is benzene, hexadecane, hexane, or toluene, which are organic solvents other than toluene, the error in the calculated surface tension with respect to the literature value is within 1%. rice field. As described above, according to the surface tension measuring device according to the present embodiment, the surface tension is relatively small, the contact angle between the inner wall of the
また、表1に示すように、被測定対象の液体Sが、グリセリン、エタノール、アセトン、アセトニトリルの場合、表面張力の文献値に対する表面張力の算出値の誤差が2%程度になった。これは、これらの液体の吸湿性が高く、表面が大気中の水蒸気により汚染されていたためと考えられる。被測定対象の液体の表面の汚染は、表面張力の算出値に測定に大きく影響する。本実施の形態に係る表面張力測定装置について、被測定対象の液体Sの表面の水蒸気による汚染を防止する対策を行えば、表面張力の算出値の精度を高めることができる。 Further, as shown in Table 1, when the liquid S to be measured was glycerin, ethanol, acetone, or acetonitrile, the error in the calculated surface tension with respect to the literature value of the surface tension was about 2%. It is considered that this is because these liquids have high hygroscopicity and the surface is contaminated by water vapor in the atmosphere. Contamination of the surface of the liquid to be measured greatly affects the measured value of surface tension. With respect to the surface tension measuring device according to the present embodiment, if measures are taken to prevent the surface of the liquid S to be measured from being contaminated by water vapor, the accuracy of the calculated surface tension can be improved.
更に、表1に示すように、被測定対象の液体Sが、ジエチルエーテル、イソペンタンの場合、表面張力の算出値は文献値17.06mN/mに比べて高くなった。ここで、文献値は、輪環法により測定された値である。ジエチルエーテルのような沸点が高く蒸気圧が高い液体は、気液界面における屈折率勾配を持ち、光学的測定に誤差を与える可能性がある。しかし、蒸気密度からは、屈折率の小数点以下第4位を大きくする程度の影響しか与えない。これは、ジエチルエーテルの一部が蒸発したことにより、液体Sの表面の温度が20℃以下になったことに起因すると考えられる。従って、本実施の形態に係る表面張力測定装置において、被測定対象の液体の温度が一定となるようにすれば、表面張力の算出値の精度を高めることができる。また、表1に示すように、被測定対象の液体Sが、イソペンタン(2-メチルブタン)の場合、表面張力の算出値は文献値15.00mN/mに比べて僅かに高くなった。また、表1に示すように、被測定対象の液体Sが、テトラメチルシランの場合、表面張力の算出値が14.0±0.5mN/mとなった。 Further, as shown in Table 1, when the liquid S to be measured was diethyl ether or isopentane, the calculated surface tension was higher than the literature value of 17.06 mN / m. Here, the literature value is a value measured by the ring method. Liquids with a high boiling point and high vapor pressure, such as diethyl ether, have a refractive index gradient at the gas-liquid interface and can mislead optical measurements. However, the steam density has only an effect of increasing the fourth decimal place of the refractive index. It is considered that this is because the temperature of the surface of the liquid S became 20 ° C. or lower due to the evaporation of a part of diethyl ether. Therefore, in the surface tension measuring apparatus according to the present embodiment, if the temperature of the liquid to be measured is kept constant, the accuracy of the calculated value of the surface tension can be improved. Further, as shown in Table 1, when the liquid S to be measured was isopentane (2-methylbutane), the calculated surface tension was slightly higher than the literature value of 15.00 mN / m. Further, as shown in Table 1, when the liquid S to be measured was tetramethylsilane, the calculated surface tension was 14.0 ± 0.5 mN / m.
また、表1に示すように、被測定対象の液体Sが、四塩化炭素の場合、表面張力の算出値は文献値26.92mN/mに対して2.5%程度の誤差があった。また、被測定対象の液体Sが、クロロホルムの場合も、表面張力の算出値は文献値27.16mN/mに対して2.5%程度の誤差があった。ところが、表1に示すように、被測定対象の液体Sが、テトラデカフルオロヘキサン(パーフルオロヘキサン)の場合、表面張力の算出値は文献値11.91mN/mと略一致した。四塩化炭素(密度1.5940g/cm3)、クロロホルム(密度1.4891g/cm3)、テトラデカフルオロヘキサン(密度1.6690g/cm3)のような密度の高い溶媒では、メニスカスMの周辺部の重力によるひずみが誤差の原因になる。これらの液体について誤差にばらつきがあるのは、文献値の値が円環法における重力方向への液体の変形に起因した誤差を含んでいることが影響している可能性があると考えられる。屈折率が低い液体であるテトラデカフルオロヘキサン(パーフルオロヘキサン)では、表面張力が小さいためにメニスカスが大きくなり、屈折率が低いことから、球面収差が出にくく、精度良い測定が行われたものと考えられる。Further, as shown in Table 1, when the liquid S to be measured was carbon tetrachloride, the calculated surface tension had an error of about 2.5% with respect to the literature value of 26.92 mN / m. Further, even when the liquid S to be measured was chloroform, the calculated surface tension had an error of about 2.5% with respect to the literature value of 27.16 mN / m. However, as shown in Table 1, when the liquid S to be measured was tetradecafluorohexane (perfluorohexane), the calculated surface tension was substantially the same as the literature value of 11.91 mN / m. In denser solvents such as carbon tetrachloride (density 1.5940 g / cm 3 ), chloroform (density 1.4891 g / cm 3 ), tetradecafluorohexane (density 1.6690 g / cm 3 ), around the meniscus M. Distortion due to the gravity of the part causes an error. It is considered that the variation in the error for these liquids may be due to the fact that the value of the literature value includes the error due to the deformation of the liquid in the direction of gravity in the annular method. In tetradecafluorohexane (perfluorohexane), which is a liquid with a low refractive index, the meniscus becomes large due to its small surface tension, and since the refractive index is low, spherical aberration is unlikely to occur and accurate measurements are performed. it is conceivable that.
本実施の形態に係る表面張力測定装置は、光学的測定により得られるメニスカスMの曲率半径に基づいて表面張力を算出するため、被測定対象の液体Sの屈折率の影響を受ける。従って、屈折率が高い液体ほどメニスカスMの焦点距離が短くなるためメニスカスMでの球面収差が生じ易くなる。このため、レンズ15によるアパーチャ22のピンホール22aに結像する焦点がぼけてしまう。表1に示すように、被測定対象の液体Sが、沸点が低く屈折率が高い二硫化炭素の場合、表面張力の算出値が、その文献値32.25mN/mによりも高くなった。これは、高い屈折率を有することによる球面収差の影響および沸点が低いため蒸発による液体Sの表面温度の低下の影響によるものと考えられる。従って、本発明では屈折率の影響を補正すれば、さらに精度の高い表面張力の測定が可能である。
Since the surface tension measuring device according to the present embodiment calculates the surface tension based on the radius of curvature of the meniscus M obtained by optical measurement, it is affected by the refractive index of the liquid S to be measured. Therefore, the higher the refractive index of the liquid, the shorter the focal length of the meniscus M, so that spherical aberration in the meniscus M is likely to occur. Therefore, the focus formed on the
表1に示す各液体についての表面張力の算出値と文献値との相関関係を図7および図8に示す。本実施の形態に係る表面張力測定装置により得られる表面張力の算出値は、図7および図8に示すように、表面張力が比較的低い液体および表面張力が比較的高い液体の両方について文献値との誤差が少ないことが判る。 The correlation between the calculated surface tension value and the literature value for each liquid shown in Table 1 is shown in FIGS. 7 and 8. As shown in FIGS. 7 and 8, the calculated values of the surface tension obtained by the surface tension measuring apparatus according to the present embodiment are the literature values for both the liquid having a relatively low surface tension and the liquid having a relatively high surface tension. It can be seen that there is little error with.
なお、被測定対象の液体Sが液体窒素の場合、表面張力の算出値は文献値11.0mN/mに対して10%程度の誤差があった。これは、低温による細管の収縮に起因した細管13の内径の変化、液体Sの沸騰による液体Sの振動に起因して誤差が大きくなっているものと思われる。
When the liquid S to be measured was liquid nitrogen, the calculated surface tension had an error of about 10% with respect to the literature value of 11.0 mN / m. It is considered that this is because the error is large due to the change in the inner diameter of the
以上説明したように、本実施の形態に係る表面張力測定方法によれば、液体貯留セル14に貯留された被測定対象の液体に浸漬させた細管13の先端Mにメニスカスを生じさせ、細管13の上端から光を入射した場合にメニスカスMおよびレンズ15を透過する光について、第1距離L1と第2距離L2とを測定する。そして、第1距離L1と第2距離L2とに基づいて、メニスカスMの曲率半径Rを算出し、メニスカスMの曲率半径Rを用いて液体Sの表面張力を算出する。このように、液体貯留セル14、細管13およびレンズ15を含む簡素な構成を用いて、第1距離L1と第2距離L2とを測定するだけで被測定対象の液体Sの表面張力を算出することができるので、簡便且つ短時間で液体Sの表面張力を測定することができる。また、細管13の先端に生じるメニスカスMの曲率半径Rを光学的に直接算出し、算出したメニスカスMの曲率半径Rを用いて液体Sの表面張力を算出するので、メニスカスMの形状を半球状で近似する最大泡圧法に比べて測定精度が高いという利点もある。
As described above, according to the surface tension measuring method according to the present embodiment, a meniscus is generated at the tip M of the
また、本実施の形態に係る細管13の内径は、メニスカスMにおけるレーザ光LA1の屈折角に基づいて決定される。これにより、メニスカスMの曲率半径Rの精度が高まるので、曲率半径Rから算出される表面張力の精度も向上する。
Further, the inner diameter of the
更に、本実施の形態に係る表面張力測定装置は、指向性の高いレーザ光を使用するため、メニスカスMとレンズ15とから構成される光学系の焦点位置から算出される第1距離L1、第2距離L2の精度が高まる。従って、メニスカスMの曲率半径Rの精度が高まるので、曲率半径Rから算出される表面張力の精度も向上する。
Further, since the surface tension measuring device according to the present embodiment uses a laser beam having high directivity, the first distance L1 calculated from the focal position of the optical system composed of the meniscus M and the
また、本実施の形態に係る距離算出部5114は、レンズ15を移動させながら、強度位置取得部5113が取得した光の強度が最大になるときのレンズ15の原点位置Pos10に対する相対的な位置から、第1距離L1および第2距離L2を算出する。これにより、細管13の位置と光検出器31の位置とを固定することができるので、例えばレンズ15の焦点位置を検出するためにアパーチャ22および光検出器31を光軸J1に沿って移動させる構成に比べて、表面張力測定ユニット10を小型化できる。
Further, the
(変形例)
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は前述の実施の形態によって限定されるものではない。例えば、図9に示すように、光検出器31とアパーチャ22とを有する光検出ユニット2030と、光検出ユニット2030を駆動する光検出ユニット駆動部(図示せず)と、を備える構成であってもよい。なお、図9において、実施の形態と同様の構成については図2と同一の符号を付している。光検出ユニット駆動部は、光検出ユニット2030を予め設定された原点位置から光軸J1に沿って(矢印AR201参照)移動させる。また、液体貯留セル2014は、底壁にレンズ部2015が設けられたものであってもよい。図9において、L201は、細管13の先端部からレンズ部2015までの距離であり、L202は、レンズ部2015から光検出ユニット2030のアパーチャ22までの距離である。また、L210は、レンズ部2015から光検出ユニット2030の原点位置までの距離である。(Modification example)
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments. For example, as shown in FIG. 9, the configuration includes a
この場合、処理部51の強度位置取得部5113は、レンズ部2015およびピンホール22aを透過し光検出器31により検出される光の強度と、光検出ユニット2030の原点位置Pos20に対する相対的な位置と、を取得する。ここで、原点位置Pos20は、光検出ユニット2030が原点位置にある状態でのピンホール22aの位置として定義している。また、処理部51の距離算出部5114は、強度位置取得部5113が取得した光の強度が最大になるときの光検出ユニット2030の原点位置Pos20に対する相対的な位置から、第1距離L201および第2距離L202を算出する。
In this case, the intensity
本構成によれば、第1距離L201が不変であるため、表面張力を算出する処理が簡素化される。 According to this configuration, since the first distance L201 is invariant, the process of calculating the surface tension is simplified.
実施の形態では、空気供給部81が、細管13内の空気の圧力が一定になるように細管13内へ空気を供給しながら被測定対象の液体Sの表面張力を測定する表面張力測定装置の例について説明した。但し、これに限らず、例えば気体供給部が、細管13内の空気の圧力が周期的に変動するように細管13内へ空気を供給するようにしてもよい。この場合、強度位置取得部5113は、光検出器31により検出される光に含まれる、細管13内の空気の圧力の変動周波数と同一の周波数で強度が変動する成分の強度を取得するようにすればよい。
In the embodiment, the
本構成によれば、被測定対象の液体Sの動的な表面張力の測定を行うことができる。 According to this configuration, it is possible to measure the dynamic surface tension of the liquid S to be measured.
実施の形態に係る表面張力測定装置において、例えば図10に示すように、液体貯留セル14の鉛直下方に、第3ピンホールであるピンホール3023aが設けられた第3アパーチャであるアパーチャ3023が配置された構成であってもよい。
In the surface tension measuring device according to the embodiment, for example, as shown in FIG. 10, an
本構成によれば、メニスカスMを透過したレーザ光LA2のうち、細管13の内壁近傍を透過したレーザ光のレンズ15への入射を遮断する。これにより、細管13の内壁と被測定対象の液体Sとの相互作用に起因したメニスカスMの形状への影響を排除することができるので、液体Sの表面張力の算出値の精度が向上する。
According to this configuration, of the laser light LA2 transmitted through the meniscus M, the laser light transmitted through the vicinity of the inner wall of the
実施の形態に係る表面張力測定方法において、メニスカスMにおける細管13内に供給された空気から加わる圧力とメニスカスMにおける液体Sから加わる圧力との圧力差を変化させたときに得られるメニスカスMの曲率半径に基づいて表面張力を算出してもよい。本変形例では、細管13の上端から供給する空気の圧力を複数種類に変化させたときそれぞれについて、メニスカスMの曲率半径と、メニスカスにおける細管13内に供給された空気から加わる圧力とメニスカスMにおける液体Sから加わる圧力との圧力差と、を算出する。そして、前述の式(3)のYoung-Laplaceの式が示す曲率半径と前述の圧力差とが反比例の関係にあることに基づいて、算出されたメニスカスMの曲率半径と算出された圧力差とに対して、反比例の式を用いた最小二乗フィッティングを行う。
In the surface tension measuring method according to the embodiment, the curvature of the meniscus M obtained when the pressure difference between the pressure applied from the air supplied into the
具体的には、算出された複数の曲率半径のデータとそれらに対応する前述の圧力差のデータとから、下記式(4)の関係式で表される関数を生成する。
試料が水であり、使用するレーザ光LA1のビーム径が0.7mmの場合、式(4)で表される関数は、図11に示すような曲線で表される。そして、図11に示すように、分散σ2が最小値をとるときのγの値(図11の場合、72.55mN/m)が求める表面張力の値となる。When the sample is water and the beam diameter of the laser beam LA1 used is 0.7 mm, the function represented by the equation (4) is represented by a curve as shown in FIG. Then, as shown in FIG. 11, the value of γ when the dispersion σ 2 takes the minimum value (72.55 mN / m in the case of FIG. 11) is the value of the surface tension obtained.
水を試料とした場合に得られる測定データに対して最小二乗フィッティングを行った結果の例を図12に示す。なお、図12において、丸印はメニスカスMの曲率半径と規格化された圧力差との関係を示し、四角印は各丸印に対応する1組のメニスカスMの曲率半径と規格化された圧力差とを用いて算出された表面張力の値を示す。曲線S21、S22は、4組のメニスカスMの曲率半径と予め設定された圧力値で規格化された圧力差とについて最小二乗フィッティングを行うことに得られる曲線を示す。 FIG. 12 shows an example of the result of performing least squares fitting on the measurement data obtained when water is used as a sample. In FIG. 12, the circles indicate the relationship between the radius of curvature of the meniscus M and the standardized pressure difference, and the squares indicate the radius of curvature of a set of meniscus M corresponding to each circle and the standardized pressure. The value of the surface tension calculated using the difference is shown. Curves S21 and S22 show curves obtained by performing least squares fitting on the radius of curvature of the four sets of meniscus M and the pressure difference standardized by the preset pressure values.
本変形例に係る表面張力測定方法により得られた測定結果を下記表2に示す。表2では、複数種類の被測定対象の液体Sの名称と、表面張力の算出に使用した屈折率、密度と、算出した表面張力と、を示している。表2において、屈折率、密度は実測値を示している。ただし、二硫化炭素については文献値を用いている。また、液体貯留セル14の周囲の温度を20℃に調節した。また、表1は、5つの互いに異なるメニスカスMの曲率半径のデータと、それらに対応するメニスカスにおける細管13内に供給された空気から加わる圧力とメニスカスMにおける液体Sから加わる圧力との圧力差のデータと、を用いた場合の結果を示している。また、最小二乗フィッティングにおける誤差は、±0.02mN/mであった。
The measurement results obtained by the surface tension measuring method according to this modification are shown in Table 2 below. Table 2 shows the names of a plurality of types of liquids S to be measured, the refractive index and density used for calculating the surface tension, and the calculated surface tension. In Table 2, the refractive index and the density show the measured values. However, the literature values are used for carbon disulfide. Further, the temperature around the
表2に示すように、算出された表面張力とその文献値との誤差は1%未満に収めることができた。なお、この誤差は、試料の温度、試料純度等の誤差に起因するものと考えられる。なお、レンズ駆動部72としてミリメートルオーダの位置精度を有するものを使用し、ピンホール22aとして開口径の小さいものを使用すると口径の小さいものを使用することにより、誤差を0.01mN/m~1μN/m程度にまで低減することができると考えられる。
As shown in Table 2, the error between the calculated surface tension and its literature value could be kept within 1%. It is considered that this error is caused by an error in the temperature of the sample, the purity of the sample, and the like. If a
また、実施の形態に係る表面張力測定方法において、メニスカスMの曲率半径とメニスカスMの体積とメニスカスMにおける細管13内に供給された空気から加わる圧力とメニスカスMにおける液体Sから加わる圧力とから算出されるメニスカスMの表面積とギブズエネルギーとから表面張力を算出してもよい。この場合、まず、メニスカスMの曲率半径からメニスカスMの表面積とメニスカスMの内側の領域の体積とを算出する。次に、メニスカスMの体積とメニスカスMにおける細管13内に供給された空気から加わる圧力とメニスカスMにおける液体Sから加わる圧力との圧力差とから、ギブズエネルギーを算出する。そして、メニスカスMの表面積とメニスカスMのギブズエネルギーとに対して、線形最小二乗フィッティングを行うことにより表面張力を算出する。
Further, in the surface tension measuring method according to the embodiment, it is calculated from the radius of curvature of the meniscus M, the volume of the meniscus M, the pressure applied from the air supplied into the
本変形例では、図13に示すように、メニスカスMが仮想球面SHの一部に相当するものと仮定する。ここでは、例えば試料がゲルのような弾性を有し塑性変形しうる試料であってもメニスカスMが仮想球面SHの一部に相当するものと仮定する。そして、細管13の上端から供給する空気の圧力を複数種類に変化させたときそれぞれについて、メニスカスMの曲率半径と、メニスカスにおける細管13内に供給された空気から加わる圧力とメニスカスMにおける液体Sから加わる圧力との圧力差と、を算出する。そして、下記式(5)乃至式(7)を用いて、算出した曲率半径からメニスカスMの細管13の下端からの突出量、メニスカスMの表面積およびメニスカスMの内側の領域の体積を算出する。
このようにして算出されるメニスカスMの内側の領域の体積と、メニスカスにおける細管13内に供給された空気から加わる圧力とメニスカスMにおける液体Sから加わる圧力との圧力差と、は、例えば図14Aに示すような関係性を示す。なお、図14Aにおいて、圧力差は予め設定された圧力値で規格化された圧力差である。そして、メニスカスMにおける細管13内に供給された空気から加わる圧力とメニスカスMにおける液体Sから加わる圧力との圧力差について、メニスカスMの内側の領域の体積について積分することにより、メニスカスMのギブズエネルギーを算出する。
The volume of the region inside the meniscus M calculated in this way and the pressure difference between the pressure applied from the air supplied into the
ここで、試料の表面張力と、メニスカスMのギブズエネルギーと、メニスカスMの表面積と、の間には、下記式(8)に示す関係式が成立する。即ち、試料の表面張力は、メニスカスMのギブズエネルギーをメニスカスMの表面積について偏微分して得られる値に相当する。
メニスカスMのギブズエネルギーとメニスカスMの表面積とは、例えば図14Bに示すような線形な相関関係性を示す。そこで、本変形例では、例えば図14Bに示すようなメニスカスMのギブズエネルギーのデータと表面積のデータとに対して、線形最小二乗フィッティングを行って得られる直線の傾きから試料の表面張力を算出する。 The Gibbs energy of the meniscus M and the surface area of the meniscus M show a linear correlation as shown in FIG. 14B, for example. Therefore, in this modification, the surface tension of the sample is calculated from the slope of a straight line obtained by performing linear minimum square fitting on the data of the Gibbs energy of Meniscus M and the data of the surface area as shown in FIG. 14B, for example. ..
これらの表面張力測定方法によれば、複数種類のメニスカスMに加わる圧力の条件におけるデータを用いて試料の表面張力を算出するので、複数種類の条件で試料の表面張力を測定したときの表面張力の平均値を算出することができる。また、これらの表面張力測定方法によれば、レンズ15の位置の誤差またはメニスカスMに加わる圧力の誤差を考慮すれば、測定誤差を±0.02mN/m程度にまで高めることができる。
According to these surface tension measuring methods, the surface tension of the sample is calculated using the data under the pressure conditions applied to the multiple types of meniscus M, so that the surface tension when the surface tension of the sample is measured under a plurality of types of conditions is calculated. The average value of can be calculated. Further, according to these surface tension measuring methods, the measurement error can be increased to about ± 0.02 mN / m in consideration of the error in the position of the
実施の形態において、例えば被測定対象の液体Sが、1つの種類の液体上に他の種類の液体の薄膜が形成されたものであってもよい。この場合、2種類の液体の液間張力を算出することができる。 In the embodiment, for example, the liquid S to be measured may be one in which a thin film of another type of liquid is formed on one type of liquid. In this case, the interliquid tensions of the two types of liquids can be calculated.
実施の形態において、細管13内の空気の圧力が比較的低い状態で被測定対象の液体Sの表面張力を算出し、その後、細管13内の空気の圧力を漸増させつつ複数回液体Sの表面張力を測定する。そして、測定で得られた複数の表面張力の測定値の中から、細管13内の空気の圧力依存性が少ない測定値を選択しその平均値を表面張力の測定値に採用してもよい。
In the embodiment, the surface tension of the liquid S to be measured is calculated in a state where the pressure of the air in the
実施の形態では、空気供給部81から細管13内へ空気を供給する例について説明するが、細管13内へ供給する気体は空気に限定されるものではなく、例えば不活性ガスのような他の種類の気体であってもよく、被測定対象の液体Sへの影響が少ないか、ないものが好ましい。
In the embodiment, an example of supplying air from the
以上、本発明の各実施の形態および変形例(なお書きに記載したものを含む。以下、同様。)について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。本発明は、実施の形態及び変形例が適宜組み合わされたもの、それに適宜変更が加えられたものを含む。 Although the embodiments and modifications of the present invention (including those described in the description; the same shall apply hereinafter) have been described above, the present invention is not limited thereto. The present invention includes a combination of embodiments and modifications as appropriate, and modifications thereof as appropriate.
本出願は、2017年5月30日に出願された日本国特許出願特願2017-106612号に基づく。本明細書中に日本国特許出願特願2017-106612号の明細書、特許請求の範囲および図面全体を参照として取り込むものとする。 This application is based on Japanese Patent Application No. 2017-106612 filed on May 30, 2017. The specification, claims and drawings of Japanese Patent Application No. 2017-106612 are incorporated herein by reference.
本発明は、空気圧によるほぼ水平方向への変形部分に対する、表面張力の定義に近い、空気圧による変形部分に対する表面張力測定であることから、高精度な測定ができ、簡単な構造の表面張力測定方法と装置を提供することができる。 The present invention is a method for measuring surface tension with a simple structure, which enables highly accurate measurement because it is a surface tension measurement for a deformed portion due to air pressure, which is close to the definition of surface tension for a deformed portion in a substantially horizontal direction due to air pressure. And equipment can be provided.
10:表面張力測定ユニット、11:光学セル、13:細管、14,2014:液体貯留セル、15:レンズ、21,22,42,3023:アパーチャ、21a,22a,42a,3023a:ピンホール、31:光検出器、32:ADC、41:レーザ光源、51:処理部、61,62,63:ミラー、71:レンズホルダ、72:レンズ駆動部、81:空気供給部、82:供給管、111:本体部、112:蓋体、112a:開口部、113:空気導入口、114:窓部、115,116:Oリング、511:CPU、512:主記憶部、513:補助記憶部、514:入力部、515:表示部、516:通信I/F、517:ADCI/F、518:バス、1111:主部、1112:小径部、2015:レンズ部、2030:光検出ユニット、5111:加圧制御部、5112:駆動制御部、5113:強度位置取得部、5114:距離算出部、5115:表面張力算出部、5131:初期パラメータDB、A:空気、f1:焦点距離、J1:光軸、L1,L201:第1距離、L2,L202:第2距離、LA1,LA2,LA3:レーザ光、M:メニスカス、R:曲率半径、S:液体 10: Surface tension measuring unit, 11: Optical cell, 13: Thin tube, 14,2014: Liquid storage cell, 15: Lens, 21,22,42,3023: Aperture, 21a, 22a, 42a, 3023a: Pinhole, 31 : Optical detector, 32: ADC, 41: Laser light source, 51: Processing unit, 61, 62, 63: Mirror, 71: Lens holder, 72: Lens drive unit, 81: Air supply unit, 82: Supply pipe, 111 : Main body, 112: Lid, 112a: Opening, 113: Air inlet, 114: Window, 115, 116: O-ring, 511: CPU, 512: Main storage, 513: Auxiliary storage, 514: Input unit, 515: Display unit, 516: Communication I / F, 517: ADCI / F, 518: Bus, 1111: Main unit, 1112: Small diameter unit, 2015: Lens unit, 2030: Optical detection unit, 5111: Pressurization Control unit, 5112: Drive control unit, 5113: Strength position acquisition unit, 5114: Distance calculation unit, 5115: Surface tension calculation unit, 5131: Initial parameter DB, A: Air, f1: Focal length, J1: Optical axis, L1 , L201: 1st distance, L2, L202: 2nd distance, LA1, LA2, LA3: laser light, M: meniscus, R: radius of curvature, S: liquid
Claims (9)
前記細管の筒軸方向の他端から前記一端に向けてレーザ光を入射させたときに、前記細管の前記他端から前記メニスカスおよび前記液体貯留セルの鉛直下方に配置されたレンズを透過する光について、前記レンズと前記細管の先端との間の光学的な第1距離と、前記レンズの焦点位置と前記レンズとの間の光学的な第2距離と、を算出する距離算出ステップと、
前記第1距離と前記第2距離とに基づいて、前記メニスカスの曲率半径を算出する曲率半径算出ステップと、
前記メニスカスにおける前記細管内に供給された気体から加わる圧力と、前記メニスカスにおける前記液体から加わる圧力と、前記メニスカスの曲率半径と、から前記液体の表面張力を算出する表面張力算出ステップと、を含む、
表面張力測定方法。 The other end of the thin tube is immersed in the liquid to be measured stored in the liquid storage cell whose bottom wall transmits light in a preset wavelength band at least at one end of the cylindrical thin tube in the tubular axis direction. A meniscus generation step of forming a meniscus at the interface between the gas in the thin tube and the liquid at the tip of the thin tube by supplying a gas from the tube.
When a laser beam is incident from the other end of the thin tube in the tubular axis direction toward the one end, the light transmitted from the other end of the thin tube through the lens arranged vertically below the meniscus and the liquid storage cell. A distance calculation step for calculating an optical first distance between the lens and the tip of the thin tube, and an optical second distance between the focal position of the lens and the lens.
A radius of curvature calculation step for calculating the radius of curvature of the meniscus based on the first distance and the second distance,
A surface tension calculation step of calculating the surface tension of the liquid from the pressure applied from the gas supplied into the capillary tube in the meniscus, the pressure applied from the liquid in the meniscus, and the radius of curvature of the meniscus is included. ,
Surface tension measurement method.
請求項1に記載の表面張力測定方法。 In the distance calculation step, light transmitted through a projection region having a circular shape in a plan view having a diameter smaller than the inner diameter of the thin tube centered on the tubular axis of the thin tube in the meniscus and a lens arranged vertically below the liquid storage cell. To measure the first distance and the second distance.
The surface tension measuring method according to claim 1.
請求項1または2に記載の表面張力測定方法。 The inner diameter of the capillary is determined based on the refraction angle of the light in the meniscus.
The surface tension measuring method according to claim 1 or 2.
請求項1乃至3のいずれか1項に記載の表面張力測定方法。 Based on the radius of curvature of the meniscus obtained when the pressure difference between the pressure applied from the air supplied into the capillary tube of the meniscus and the pressure applied from the liquid in the meniscus is changed in the surface tension calculation step. , Calculate surface tension,
The surface tension measuring method according to any one of claims 1 to 3 .
円筒状であり筒軸方向の一端が前記液体に浸漬した状態で配置される細管と、
前記細管の鉛直上方に配置され前記細管の内径よりも小さい径の第1ピンホールが設けられた第1アパーチャと、
前記細管の筒軸方向における他端から気体を供給する気体供給部と、
前記細管の先端の鉛直下方に配置されたレンズと、
前記細管の先端における前記細管内の気体と前記液体との界面にメニスカスが生じた状態で、前記細管の筒軸方向の他端から前記一端に向けてレーザ光を入射させたときに、前記細管の前記他端から前記第1ピンホール、前記メニスカスおよび前記レンズを透過する光について、前記レンズと前記細管の先端との間の光学的な第1距離と、前記レンズから放射される光の焦点位置と前記レンズとの間の光学的な第2距離と、を算出する距離算出部と、
前記メニスカスにおける前記細管内に供給された気体から加わる圧力と、前記メニスカスにおける前記液体から加わる圧力と、前記メニスカスの曲率半径と、から前記液体の表面張力を算出する表面張力算出部と、を備える、
表面張力測定装置。 A liquid storage cell that stores the liquid to be measured and at least the bottom wall transmits light in a preset wavelength band.
A thin tube that is cylindrical and has one end in the axial direction immersed in the liquid.
A first aperture arranged vertically above the thin tube and provided with a first pinhole having a diameter smaller than the inner diameter of the thin tube.
A gas supply unit that supplies gas from the other end of the thin tube in the tubular axis direction,
A lens placed vertically below the tip of the thin tube,
When a laser beam is incident from the other end of the thin tube in the tubular axial direction toward the one end in a state where a meniscus is generated at the interface between the gas in the thin tube and the liquid at the tip of the thin tube, the thin tube is formed. For light transmitted through the first pinhole, the meniscus, and the lens from the other end of the lens, the first optical distance between the lens and the tip of the thin tube, and the focal point of the light emitted from the lens. A distance calculation unit that calculates the optical second distance between the position and the lens, and
It includes a surface tension calculation unit that calculates the surface tension of the liquid from the pressure applied from the gas supplied into the thin tube in the meniscus, the pressure applied from the liquid in the meniscus, and the radius of curvature of the meniscus. ,
Surface tension measuring device.
前記レンズを透過し前記光検出器に入射する光の光軸上に配置され第2ピンホールが設けられた第2アパーチャと、
前記レンズを予め設定された原点位置から光軸に沿って移動させるレンズ駆動部と、
前記レンズおよび前記第2ピンホールを透過し前記光検出器により検出される光の強度と前記レンズの前記原点位置に対する相対的な位置とを取得する強度位置取得部と、を更に備え、
前記距離算出部は、前記強度位置取得部が取得した光の強度が最大になるときの前記レンズの前記原点位置に対する相対的な位置から、前記第1距離および前記第2距離を算出する、
請求項5に記載の表面張力測定装置。 A photodetector that detects the light transmitted through the lens, and
A second aperture that is arranged on the optical axis of the light that passes through the lens and is incident on the photodetector and is provided with a second pinhole.
A lens drive unit that moves the lens from a preset origin position along the optical axis.
Further provided with an intensity position acquisition unit that acquires the intensity of light transmitted through the lens and the second pinhole and detected by the photodetector and the position of the lens relative to the origin position.
The distance calculation unit calculates the first distance and the second distance from the relative position of the lens with respect to the origin position when the intensity of the light acquired by the intensity position acquisition unit is maximized.
The surface tension measuring device according to claim 5 .
前記光検出ユニットを、予め設定された原点位置から光軸に沿って移動させる光検出ユニット駆動部と、
前記光検出ユニット駆動部が前記光検出ユニットを前記原点位置から前記光軸に沿って予め設定された距離だけ移動させたときに、前記レンズおよび前記第2ピンホールを透過し前記光検出器により検出される光の強度を取得する強度位置取得部と、を更に備え、
前記レンズは、前記液体貯留セルの底壁に設けられたレンズ部であり、
前記距離算出部は、前記強度位置取得部が取得した光の強度が最大になるときの前記光検出ユニットの前記原点位置に対する相対的な位置から、前記第1距離および前記第2距離を算出する、
請求項5に記載の表面張力測定装置。 It has a photodetector that detects the light emitted from the lens, and a second aperture that is arranged on the optical axis of the light that passes through the lens and is incident on the photodetector and is provided with a second pinhole. Light detection unit and
A photodetector unit drive unit that moves the photodetector unit from a preset origin position along the optical axis.
When the light detection unit drive unit moves the light detection unit from the origin position by a preset distance along the optical axis, it passes through the lens and the second pinhole and is transmitted by the photodetector. Further equipped with an intensity position acquisition unit that acquires the intensity of the detected light,
The lens is a lens portion provided on the bottom wall of the liquid storage cell.
The distance calculation unit calculates the first distance and the second distance from the relative positions of the light detection unit with respect to the origin position when the intensity of the light acquired by the intensity position acquisition unit is maximized. ,
The surface tension measuring device according to claim 5 .
前記強度位置取得部は、前記光検出器により検出される光に含まれる、前記細管内の気体の圧力の変動周波数と同一の周波数で強度が変動する成分の強度を取得する、
請求項6または7に記載の表面張力測定装置。 The gas supply unit periodically fluctuates the pressure of the gas in the capillary tube.
The intensity position acquisition unit acquires the intensity of a component contained in the light detected by the photodetector whose intensity fluctuates at the same frequency as the fluctuation frequency of the pressure of the gas in the capillary tube.
The surface tension measuring device according to claim 6 or 7 .
請求項5乃至8のいずれか1項に記載の表面張力測定装置。 Further comprising a third aperture disposed between the liquid reservoir and the lens and provided with a third pinhole.
The surface tension measuring device according to any one of claims 5 to 8 .
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