PL220790B1 - Układ do wyznaczania napięcia międzyfazowego na podstawie badania kształtu kropli cieczy lub pęcherzyka gazu i urządzenie do wyznaczania napięcia międzyfazowego - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ do wyznaczania napięcia międzyfazowego na podstawie badania kształtu kropli cieczy lub pęcherzyka gazu i urządzenie do wyznaczania napięcia międzyfazowego, mające zastosowanie w badaniach napięcia międzyfazowego cieczy na granicy faz ciecz-ciecz lub ciecz-gaz metodą analizy kształtu kropli.

Badanie napięcia międzyfazowego cieczy metodą analizy kształtu kropli może być realizowane poprzez pomiar wysokości leżącej lub wiszącej kropli oraz poprzez aksysymetryczną analizę kształtu kropli. W znanych układach do badania napięcia międzyfazowego metodą analizy kształtu kropli, kropla badanej cieczy lub pęcherzyk gazu wytwarzane są na końcu kapilary przez układ dozowania, którym może być strzykawka, pipeta automatyczna lub pompka strzykawkowa. Kapilara może być wykonana w postaci igły stosowanej w strzykawkach. Koniec kapilary jest umieszczony w szklanej kuwecie w torze optycznym pomiędzy modułem podświetlania światłem rozproszonym a detektorem obrazu. Jako detektor obrazu stosuje się zwykle kamerę cyfrową. Moduł podświetlania może być wyposażony w diody LED jako zewnętrzne źródła światła oraz odpowiedni dyfuzor. Rejestrowany przez kamerę cyfrową obraz kształtu kropli lub pęcherzyka jest przekazywany do modułu analizy obrazu wyposażonego w komputer z dedykowanym oprogramowaniem pozwalającym na wyznaczenie wartości napięcia międzyfazowego na podstawie analizy konturu kropli. Tego typu układ jest przedstawiony w opisie patentowym EP 2072996. Wadą tego typu układów jest wrażliwość na zmiany wynikające z zakrzywienia wiązki światła na granicy faz oświetlanej kropli lub pęcherzyka. W układach tych obraz kształtu kropli lub pęcherzyka jest rejestrowany na tle zewnętrznego źródła światła rozproszonego, co może być przyczyną błędnego odczytu konturu kropli. Błąd ten wynika z faktu, iż zakrzywienie powierzchni rozgraniczającej dwa obszary o różnych współczynnikach załamania światła może działać jak podświetlana soczewka, gdzie zgodnie z zasadą refrakcji, następuje propagacja światła do ośrodka gęstszego optycznie, a więc dochodzi do załamania światła i zniekształcenia rzeczywistego obrazu kształtu kropli.

W znanych układach do wyznaczania napięcia międzyfazowego na podstawie badania kształtu kropli cieczy lub pęcherzyka gazu występuje jeden moduł podświetlania konturu kropli w pojedynczym torze optycznym. Zastosowanie dodatkowego toru optycznego prowadziłoby do zwiększenia błędów odczytu konturu kropli na podstawie rejestrowanych jednocześnie obrazów. Z tego względu badana kropla lub pęcherzyk jest fotografowana tylko z jednej strony, co w przypadku niedoskonałości, bądź zanieczyszczeń kapilary, albo jej nierównego usytuowania może być przyczyną błędnych obliczeń napięcia międzyfazowego. Kropla lub pęcherzyk, które na skutek wyżej wymienionych przyczyn mają geometrię znacznie odbiegającą od wzorcowej, dla której przygotowane są algorytmy matematyczne pozwalające na wyznaczanie wartości napięcia międzyfazowego na podstawie kształtu kropli łub pęcherzyka. Nawet numeryczne poszukiwanie optymalnego kąta obrotu obrazu kropli/pęcherzyka - kompensującego maksymalnie ten brak symetrii - nie jest zdolne wygenerować właściwych równań opisujących kształt.

W przedstawionych rozwiązaniach zmiana wartości współrzędnych punktów opisujących kształt kropli lub pęcherzyka, które odbiegają od wartości wzorcowych, nawet rzędu 10 μm, wpływa na znaczącą zmianę wartości wyznaczanego napięcia międzyfazowego nawet o kilka procent, co z kolei wpływa na zwiększenie niepewności pomiarowej. Celem wynalazku jest wyeliminowanie tych wad.

Układ do wyznaczania napięcia międzyfazowego na podstawie badania kształtu kropli cieczy lub pęcherzyka gazu, złożony z modułu dozowania wyposażonego w kapilarę, na wylocie której jest formowana kropla cieczy lub pęcherzyk gazu, źródła światła, oraz co najmniej jednej kamery cyfrowej do rejestracji i przetwarzania obrazu, z której dane są przekazywane do modułu analizy obrazu, według wynalazku wyróżnia się tym, że źródło światła jest usytuowane na przedłużeniu osi geometrycznej kapilary od strony wlotu do kapilary tak, że oś optyczna wiązki emitowanej przez źródło światła w kierunku kropli cieczy lub pęcherzyka gazu pokrywa się z osią geometryczną kapilary, przy czym każda kamera cyfrowa jest usytuowana promieniowo względem środka formowanej kropli cieczy lub pęcherzyka gazu, zwłaszcza w płaszczyznach wzajemnie ortogonalnych.

Korzystnym jest, gdy źródło światła stanowi czoło światłowodu usytuowane w osi kapilary, sprzęgnięte optycznie z zewnętrznym źródłem światła.

Korzystnym jest także, jeżeli kamery cyfrowe są usytuowane w płaszczyźnie normalnej do osi geometrycznej kapilary na wysokości formowanej kropli cieczy lub pęcherzyka gazu.

PL 220 790 B1

Urządzenie do wyznaczania napięcia międzyfazowego, złożone z modułu dozowania wyposażonego w kapilarę, na końcu której jest formowana kropla cieczy lub pęcherzyk gazu, źródła światła, oraz co najmniej jednej kamery cyfrowej do rejestracji i przetwarzania obrazu, według wynalazku wyróżnia się tym, że źródło światła jest zamocowane od strony wlotu do kapilary w kanale doprowadzającym ciecz lub gaz na przedłużeniu osi geometrycznej kapilary tak, że oś optyczna wiązki emitowanej przez źródło światła w kierunku kropli cieczy lub pęcherzyka gazu pokrywa się z osią geometryczną kapilary.

Korzystnym jest, jeżeli źródło światła stanowi czoło światłowodu usytuowane w osi kapilary, sprzęgnięte optycznie z zewnętrznym źródłem światła.

Korzystnym jest także, jeżeli koniec kapilary jest umieszczony w nieprzepuszczającym światła tunelu osłaniającym drogę optyczną pomiędzy końcem kapilary a kamerą.

Rozwiązanie według wynalazku umożliwia wyznaczanie napięcia międzyfazowego ze znacznie większą dokładnością dzięki analizie rzeczywistego obrazu kropli lub pęcherzyka, niezniekształconego przez refrakcję światła. Badana kropla lub pęcherzyk są oświetlane od wewnątrz, przez co wypromieniowują z siebie światło. Dzięki temu pomiar jest mało wrażliwy na zmiany wynikające z zakrzywienia wiązki światła. Ponadto rozwiązanie według wynalazku umożliwia analizę kształtu kropli na podstawie badania stereoskopowego, w którym odczyt obrazu jest realizowany jednocześnie przez co najmniej dwie kamery.

Wynalazek jest objaśniony w przykładzie wykonania uwidocznionym na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schematycznie układ do wyznaczania napięcia międzyfazowego z jedną kamerą, fig. 2 przedstawia urządzenie do wyznaczania napięcia międzyfazowego w częściowym przekroju wzdłużnym, a fig. 3 przedstawia schematycznie układ do wyznaczania napięcia międzyfazowego z dwiema kamerami.

Jak przedstawiono na fig. 1, układ do wyznaczania napięcia międzyfazowego na podstawie badania kształtu kropli cieczy lub pęcherzyka gazu 8, składa się z modułu dozowania 11, wyposażonego w kapilarę 7, na końcu której jest formowana kropla cieczy lub pęcherzyk gazu 8. Ponadto w skład układu wchodzi źródło światła oraz kamera cyfrowa 10 do rejestracji i przetwarzania obrazu, połączona na wyjściu z modułem analizy obrazu 12.

Kamera cyfrowa 10 jest umieszczona na wysokości kropli cieczy lub pęcherzyka gazu 8 w płaszczyźnie normalnej do osi geometrycznej kapilary 7. Źródło światła jest usytuowane na przedłużeniu osi geometrycznej kapilary 7 od strony wlotu do kapilary 7 tak, że oś optyczna wiązki światła skierowanego w kierunku kropli cieczy lub pęcherzyka gazu 8 pokrywa się z osią geometryczną kapilary 7. W rezultacie badana kropla lub pęcherzyk są oświetlane od wewnątrz, przez co wypromieniowują z siebie światło emitowane przez źródło światła usytuowane w osi kapilary 7. Źródłem może być dioda LED lub czoło światłowodu 1 sprzęgniętego optycznie z zewnętrznym źródłem światła 14.

Jak przedstawiono na fig. 2, urządzenie do wyznaczania napięcia międzyfazowego, składa się z modułu dozowania 11 wyposażonego w kapilarę 7, na końcu której jest formowana kropla cieczy lub pęcherzyk gazu 8. Źródło światła jest zamocowane od strony wlotu do kapilary 7 w kanale doprowadzającym jedną z faz, ciecz lub gaz, na przedłużeniu osi geometrycznej kapilary 7 tak, że oś optyczna wiązki światła skierowanego emitowanego przez źródło światła w kierunku kropli cieczy lub pęcherzyka gazu 8 pokrywa się z osią geometryczną kapilary 7. Źródło światła stanowi czoło światłowodu 1 sprzęgniętego z zewnętrznym źródłem światła 14. Do rejestracji i przetwarzania obrazu służy kamera cyfrowa 10 usytuowana promieniowo względem środka kropli cieczy lub pęcherzyka gazu 8 w płaszczyźnie normalnej do osi geometrycznej kapilary 7. Koniec kapilary 7 jest umieszczony w nie przepuszczającym światła tunelu 9 osłaniającym drogę optyczną pomiędzy końcem kapilary 7 a kamerą 10. Kanał zasilający, doprowadzający jedną z faz, znajduje się wewnątrz trójnika 2. Dolna część trójnika ma łącznik dolny połączony z obsadą 6 kapilary 7. Źródło światła jest zamocowane w górnej części trójnika 2 w gnieździe 4 usytuowanym nad kapilarą 7. Pomiędzy dolną, a górną częścią trójnika 2 znajduje się odgałęzienie kanału zasilającego z łącznikiem bocznym 3, przez który wtłaczana jest jedna z faz. Dodatkowym wyposażeniem jest kuweta 13 wykonana z przezroczystego materiału. Podczas pomiaru wylot kapilary 7 jest skierowany w górę lub w dół, w zależności od różnicy gęstości faz w kapilarze 7 i kuwecie 13. Na końcu kapilary 7 tworzy się kropla wisząca, gdy gęstość otoczenia jest mniejsza od fazy tłoczonej przez kapilarę 7, lub kropla wypływająca, gdy gęstość otoczenia jest większa od gęstości fazy tłoczonej przez kapilarę. Wiązka światła, wprowadzona poprzez kapilarę 7 do formowanej kropli cieczy lub pęcherzyka gazu 8 zostaje wypromieniowana do otoczenia, stając się

PL 220 790 B1 wtórnym źródłem światła, zaś umieszczona promieniowo kamera 10 rejestruje obraz formowanej kropli lub pęcherzyka z zadaną częstotliwością.

Jak przedstawiono na fig. 3, układ do wyznaczania napięcia międzyfazowego na podstawie badania kształtu kropli cieczy lub pęcherzyka gazu 8, może być wyposażony w dodatkową kamerę cyfrową 10 usytuowaną w innym położeniu kątowym względem badanej kropli lub pęcherzyka niż pierwsza kamera cyfrowa 10. Obie kamery są połączone z modułem analizy obrazu 12. Pozostałe elementy układu są takie same jak w układzie z fig. 1. Przedstawiony układ umożliwia rejestrację obrazu formowanej kropli lub pęcherzyka jednocześnie z różnych stron, przy czym ze względów analitycznych zalecane jest wzajemne ustawienie kamer w płaszczyznach wzajemnie ortogonalnych, zgodnie z prostokątnym układem współrzędnych. W celu wyeliminowania zakłóceń powodowanych przypadkowym oświetleniem zewnętrznym pomiar powinien być realizowany w ciemni lub po odizolowaniu drogi optycznej każdej kamery za pomocą odpowiednich przysłon lub tunelu 9.

Claims (6)

1. Układ do wyznaczania napięcia międzyfazowego na podstawie badania kształtu kropli cieczy lub pęcherzyka gazu, złożony z modułu dozowania wyposażonego w kapilarę, na wylocie której jest formowana kropla cieczy lub pęcherzyk gazu, źródła światła, oraz co najmniej jednej kamery cyfrowej do rejestracji i przetwarzania obrazu, z której dane są przekazywane do modułu analizy obrazu, znamienny tym, że źródło światła jest usytuowane na przedłużeniu osi geometrycznej kapilary (7) od strony wlotu do kapilary (7) tak, że oś optyczna wiązki emitowanej przez źródło światła w kierunku kropli cieczy lub pęcherzyka gazu (8) pokrywa się z osią geometryczną kapilary (7), przy czym każda kamera cyfrowa (10) jest usytuowana promieniowo względem środka formowanej kropli cieczy lub pęcherzyka gazu (8), zwłaszcza w płaszczyznach wzajemnie ortogonalnych.

2. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że źródło światła stanowi czoło światłowodu (1) usytuowane w osi kapilary (7), sprzęgnięte optycznie z zewnętrznym źródłem światła (14).

3. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że kamery cyfrowe (10) są usytuowane w płaszczyźnie normalnej do osi geometrycznej kapilary (7) na wysokości formowanej kropli cieczy lub pęcherzyka gazu (8).

4. Urządzenie do wyznaczania napięcia międzyfazowego, złożone z modułu dozowania wyposażonego w kapilarę, na końcu której jest formowana kropla cieczy lub pęcherzyk gazu, źródła światła, oraz co najmniej jednej kamery cyfrowej do rejestracji i przetwarzania obrazu, znamienne tym, że źródło światła jest zamocowane od strony wlotu do kapilary (7) w kanale doprowadzającym ciecz lub gaz na przedłużeniu osi geometrycznej kapilary (7) tak, że oś optyczna wiązki emitowanej przez źródło światła w kierunku kropli cieczy lub pęcherzyka gazu (8) pokrywa się z osią geometryczną kapilary (7).

5. Urządzenie według zastrz. 3, znamienne tym, że źródło światła stanowi czoło światłowodu (1) usytuowane w osi kapilary (7), sprzęgnięte optycznie z zewnętrznym źródłem światła (14).

6. Urządzenie według zastrz. 3, znamienne tym, że koniec kapilary (7) jest umieszczony w nie przepuszczającym światła tunelu (9) osłaniającym drogę optyczną pomiędzy końcem kapilary (7), a kamerą (10).