RU92860U1

RU92860U1 - PORTABLE DEVICE FOR MEASURING SURFACE WETTING ANGLES AND SURFACE TENSION OF LIQUIDS

Info

Publication number: RU92860U1
Application number: RU2009142042/22U
Authority: RU
Inventors: Людмила Борисовна Бойнович; Александр Михайлович Емельяненко
Original assignee: Учреждение Российской академии наук Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН
Priority date: 2009-11-17
Filing date: 2009-11-17
Publication date: 2010-04-10

Abstract

1. Портативное устройство для измерения углов смачивания поверхностей и поверхностного натяжения жидкостей, содержащее видеокамеру, оптическую часть, регулируемый столик для образцов, дозатор жидкости, осветитель и компьютер для обработки результатов измерений, отличающееся тем, что в качестве оптической системы используется телецентрический объектив с перестраиваемым рабочим расстоянием, в качестве видеокамеры используется USB-камера, а в качестве осветителя - светодиодный осветитель, также питаемый через USB порт переносного персонального компьютера (ноутбука). ! 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что для удобства юстировки и использования в полевых условиях видеокамера, оптическая часть, столик для образцов, дозатор жидкости и осветитель закреплены на общем основании. 1. A portable device for measuring the contact angles of surfaces and surface tension of liquids, containing a video camera, an optical part, an adjustable table for samples, a liquid dispenser, a illuminator and a computer for processing measurement results, characterized in that a telecentric lens with a tunable working lens is used as an optical system distance, a USB camera is used as a video camera, and an LED illuminator, also powered by a portable person’s USB port, is used as a illuminator nogo computer (laptop). ! 2. The device according to claim 1, characterized in that for the convenience of alignment and use in the field, the video camera, optical part, sample table, liquid dispenser and illuminator are fixed on a common base.

Description

Предлагаемое устройство предназначено для измерения угла смачивания твердых поверхностей жидкостями, а также для измерения поверхностного и межфазного натяжения жидкостей, в статическом и динамическом режимах. Измерение угла смачивания, количественно характеризующего степень смачиваемости поверхности данной жидкостью, весьма важно во многих отраслях промышленности (химическая, лакокрасочная, фармацевтическая, косметическая и т.д.), а также для оценки коррозионного состояния трубопроводов, опор линий электропередач и т.п. в полевых условиях.The proposed device is intended for measuring the angle of wetting of solid surfaces with liquids, as well as for measuring the surface and interfacial tension of liquids in static and dynamic modes. The measurement of the wetting angle, which quantitatively characterizes the degree of wettability of a surface by a given liquid, is very important in many industries (chemical, paint, varnish, pharmaceutical, cosmetic, etc.), as well as for assessing the corrosion state of pipelines, power transmission towers, etc. in the field.

Практическое изучение углов смачивания может проводиться непосредственно по фотографии или с помощью горизонтального микроскопа с гониометрической шкалой. Точность такого определения невысока и погрешность может составлять несколько градусов. Анализ используемых для этого методик можно найти в известной монографии [Адамсон А. Физическая химия поверхностей. М.: Мир, 1979]. Достаточно эффективными для исследования углов смачивания в ряде систем оказываются также методы капиллярного подъема [Neumann A.W., Good R.J./In: Surface and Colloid Science, ed. by Good R.J. and Stromberg R.S. N.Y.: Plenum Press, 1979. V.11. P.31] и зеркального отражения и преломления на границах сидящей капли [Redon С., Ausserre D., Rondelez F. // Macromolecules. 1992. V.25. №22. P.5965], однако и в этих методах погрешность определения величины угла смачивания составляет не менее 1-2 градусов.A practical study of wetting angles can be carried out directly from a photograph or using a horizontal microscope with a goniometric scale. The accuracy of this definition is low and the error can be several degrees. An analysis of the techniques used for this can be found in the well-known monograph [Adamson A. Physical surface chemistry. M .: Mir, 1979]. Capillary lifting methods are also quite effective for studying wetting angles in a number of systems [Neumann A.W., Good R.J./In: Surface and Colloid Science, ed. by Good R.J. and Stromberg R.S. N.Y .: Plenum Press, 1979.V.11. P.31] and specular reflection and refraction at the boundaries of a sitting drop [Redon C., Ausserre D., Rondelez F. // Macromolecules. 1992. V.25. Number 22. P.5965], however, even in these methods, the error in determining the value of the contact angle is at least 1-2 degrees.

В последнее время все большее внимание при экспериментальном исследовании параметров межфазных границ уделяется методам, основанным на анализе оцифрованного изображения зоны двух- и трехфазного контакта [Емельяненко A.M. // Физикохимия поверхности и защита материалов. 2009. Т.45. №1. С.92]. В этой группе методов в общем случае оцифрованное изображение зоны трехфазного контакта получается с помощью оптической системы, видеовизионной камеры и соответствующего цифрового видео процессора, преобразующего аналоговое изображение видеокамеры в цифровое, в дальнейшем записываемое в память компьютера. В современных установках вместо видеовизионных камер часто используются цифровые, позволяющие исключить из представленной выше схемы цифровой видео процессор. Перспективность этого направления определяется, во-первых, малыми временами записи изображений, что позволяет исследовать не только статику, но и кинетику изменений в зоне трехфазного контакта. Во-вторых, появляется возможность производить с изображениями арифметические и логические операции, что, в свою очередь, позволяет устранять некоторые недостатки в полученном изображении, понижать влияние шумов на точность нахождения границы раздела фаз. И, наконец, пиксельное, а в ряде случаев и субпиксельное разрешение при получении профиля межфазного контакта дает возможность очень точно определять такие параметры, как углы смачивания, поверхностное натяжение жидкости, объем капли и т.д. В общем случае устройство для измерения углов смачивания и поверхностного натяжения жидкостей включает (Фиг.1): источник света 1, световод 2, диффузор 3, объектный столик 4, дозатор жидкости 5, оптическую систему 6, видеокамеру 7, видеокарту 8 и компьютер 9.Recently, more and more attention in the experimental study of the parameters of interphase boundaries has been paid to methods based on the analysis of the digitalized image of the zone of two- and three-phase contact [Emelianenko A.M. // Physicochemistry of the surface and protection of materials. 2009.V. 45. No. 1. P.92]. In this group of methods, in the general case, the digitized image of the three-phase contact zone is obtained using an optical system, a video-video camera, and the corresponding digital video processor, which converts the analog image of the video camera into a digital one, which is subsequently recorded in the computer's memory. In modern installations, instead of video-video cameras, digital ones are often used, which make it possible to exclude a digital video processor from the above scheme. The prospects of this direction are determined, firstly, by the short recording times of the images, which makes it possible to study not only the static, but also the kinetics of changes in the three-phase contact zone. Secondly, it becomes possible to perform arithmetic and logical operations with images, which, in turn, allows you to eliminate some of the shortcomings in the resulting image, reduce the effect of noise on the accuracy of finding the phase boundary. And finally, the pixel, and in some cases subpixel resolution when obtaining the interphase contact profile makes it possible to very accurately determine such parameters as wetting angles, surface tension of the liquid, droplet volume, etc. In general, a device for measuring wetting angles and surface tension of liquids includes (Figure 1): a light source 1, a light guide 2, a diffuser 3, an object stage 4, a liquid dispenser 5, an optical system 6, a video camera 7, a video card 8, and a computer 9.

Известно устройство EasyDrop фирмы «Kruss», Германия, (Каталог «Поверхностное и межфазное натяжение. Краевой угол смачивания»), в котором в качестве источника освещения используется галогеновая лампа с диффузором из матового стекла, в качестве оптической системы применяется объектив с 6-кратным увеличением, в качестве видеокамеры - монохромная CMOS-камера, присоединяемая к USB порту компьютера. Хотя, согласно описанию в каталоге, указанное устройство может использоваться совместно с переносным компьютером (ноутбуком), для питания лампы и камеры требуется напряжение 220 вольт, что усложняет возможности использования устройства в полевых условиях.Known EasyDrop device company "Kruss", Germany, (Catalog "Surface and interfacial tension. Contact angle of wetting"), in which a halogen lamp with a frosted glass diffuser is used as a light source, a lens with a 6-fold magnification is used as an optical system , as a video camera - a monochrome CMOS camera that connects to a USB port on a computer. Although, according to the description in the catalog, this device can be used in conjunction with a laptop computer (laptop), a voltage of 220 volts is required to power the lamp and camera, which complicates the possibility of using the device in the field.

Предлагаемое устройство решает задачу исследования смачиваемости поверхностей конструкционных материалов во внелабораторных условиях. Указанный технический результат достигается тем, что в качестве источника освещения используется светодиодная лампа, а в качестве видеокамеры - USB-камера с высоким пространственным разрешением, питание которых осуществляется через USB порт ноутбука, благодаря чему устройство может работать без подключения к внешнему источнику электроэнергии. В качестве оптической системы используется телецентрический объектив с перестраиваемым рабочим расстоянием при фиксированном увеличении, что позволяет исключить из оптической части механические элементы, обеспечивающие взаимное перемещение объектива и объекта. Благодаря этому значительно снижается вес установки и требования к элементам точной механики.The proposed device solves the problem of studying the wettability of the surfaces of structural materials in off-laboratory conditions. The indicated technical result is achieved by using a LED lamp as a lighting source, and using a high-resolution USB camera as a video camera, the power of which is via the laptop’s USB port, so the device can work without connecting to an external power source. As an optical system, a telecentric lens with a tunable working distance at a fixed magnification is used, which allows excluding mechanical elements from the optical part that ensure mutual movement of the lens and the object. Thanks to this, the installation weight and the requirements for precision mechanics are significantly reduced.

Примером реализации портативного устройства для измерения углов смачивания и поверхностного натяжения жидкостей является устройство, в котором в качестве источника освещения используется светодиодная лампа, подключаемая к USB порту ноутбука, с матовым стеклом в качестве диффузора, объектным столиком служит регулируемый трехосный предметный столик фирмы Edmund Optics, в качестве дозатора жидкости используется микрошприц Proline 1-100, оптической системой является телецентрический объектив MVO 1X, в качестве видеокамеры используется цифровая монохромная USB камера высокого разрешения PixeLink PL-B686MU. Питание и управление работой видеокамеры и источника освещения осуществляется через USB порт ноутбука Sony Vaio, в котором также осуществляется запись и обработка изображений капель жидкостей на тестируемых поверхностях, вычисление величин краевых углов и других требуемых характеристик капель.An example of the implementation of a portable device for measuring wetting angles and surface tension of liquids is a device in which a LED lamp is used as a light source, connected to a laptop USB port, with frosted glass as a diffuser, and an adjustable three-axis object table from Edmund Optics serves as an object table, a Proline 1-100 microsyringe is used as a liquid dispenser, the optical system is a telecentric lens MVO 1X, a digital monochromatic camera is used as a video camera ohm USB high-resolution camera PixeLink PL-B686MU. The video camera and the light source are powered and controlled via the USB port of the Sony Vaio laptop, which also records and processes images of liquid droplets on test surfaces, calculates contact angles and other required droplet characteristics.

Источники информацииInformation sources

1. Адамсон А. Физическая химия поверхностей. М.: Мир, 1979.1. Adamson A. Physical chemistry of surfaces. M .: Mir, 1979.

2. Neumann A.W., Good R.J. In: Surface and Colloid Science, ed. by Good R.J. and Stromberg R.S. N.Y.: Plenum Press, 1979. V.11. P.31.2. Neumann A.W., Good R.J. In: Surface and Colloid Science, ed. by Good R.J. and Stromberg R.S. N.Y .: Plenum Press, 1979.V.11. P.31.

3. Redon C., Ausserre D., Rondelez F.//Macromolecules. 1992. V.25. №22. P.5965.3. Redon C., Ausserre D., Rondelez F. // Macromolecules. 1992. V.25. Number 22. P.5965.

4. Емельяненко A.M. // Физикохимия поверхности и защита материалов. 2009. Т.45. №1. С.92.4. Emelianenko A.M. // Physicochemistry of the surface and protection of materials. 2009.V. 45. No. 1. S.92.

Claims

1. A portable device for measuring the contact angles of surfaces and surface tension of liquids, containing a video camera, an optical part, an adjustable table for samples, a liquid dispenser, a illuminator and a computer for processing measurement results, characterized in that a telecentric lens with a tunable working lens is used as an optical system distance, a USB camera is used as a video camera, and a LED illuminator, also powered by a portable person’s USB port, is used as a illuminator nogo computer (laptop).

2. The device according to claim 1, characterized in that for the convenience of alignment and use in the field, the video camera, optical part, sample table, liquid dispenser and illuminator are fixed on a common base.