一种液体表面张力与粘度同时在线测量的装置

本实用新型涉及液体热物性在线测量领域，具体涉及一种液体表面张力与粘度同时在线测量的装置。

背景技术：

表面张力和粘度是液体的重要物理化学性质，是医药、食品、燃油雾化和多相反应等众多科学研究和工程应用领域中常用的基础数据。目前测定液体表面张力及粘度的常用方法有：毛细管上升法，通过外部压力驱动液体流过毛细管，测定液体在毛细管内的高度和液体流量来推算液体的表面张力和粘度；最大气泡法，测定气泡在泡内压力最大时的毛细管内半径；滴重法，测定液体从毛细管中滴落时液滴的质量。这些方法的普遍问题在于样品消耗量大、接触式测量易造成样品污染、测定时间长等问题。在测量的时间分辨率上，毛细管上升法为静态方法，其他方法虽可以用于测定动态表面张力，但时间精度最高仅可达1ms。

振荡液滴法通过观测射流裂解后形成振荡液滴的形态及其时间演化，得到液体的表面张力及粘度值，其时间分辨率可达微秒量级，可用于液体动态界面参数的测量。如公开号为cn108007825a的中国专利文献公开了一种基于液滴机械振动的液体粘度测试方法，具体包括以下步骤：在多普勒超声仪的超声探头上放置疏水基片，通过微量注射器产生液滴于疏水基片上；通过具有自动回弹功能的振动触发装置使液滴发生振动，然后使振动触发装置回弹，液滴发生自由振动；超声探头采用非聚焦连续波多普勒方法将液滴表面毛细波的自由振动转换为超声波多普勒频移信号并加以放大；计算机信号处理模块对多普勒频移信号采集并处理，得到液滴自由振动特征图；由自由振动特征图拟合得到液滴振幅随时间的衰减速率，进而计算得到液体粘度。此外，振荡液滴法还适用于在极端条件(过冷、高温、高压环境)下的液体参数测量。目前多采用高速摄影等直接成像法观测液滴形态变化，但这种方法受限于像素尺寸和视场大小，且需要对液滴轮廓进行拟合，数据处理较为复杂。因而，开发一种快速高效、准确可靠的液体动态表面张力及粘度的在线测量方法及装置具有非常重要的科学意义和实际价值。

技术实现要素：

鉴于振荡液滴法测量液体界面参数的优越性，本实用新型的目的在于提供一种液体表面张力与粘度同时在线测量的装置，实现了微秒量级液滴振荡的跟踪，提高了测量的时空分辨率。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

本实用新型提供了一种液体表面张力与粘度同时在线测量的装置，包括液滴发生单元、片激光扩束单元和信号采集及处理单元；

液滴发生单元，包括液滴发生器、注射泵和压电驱动器，注射泵将待测液体送入到液滴发生器后在压电驱动器的作用下产生待测液体的振荡液滴；

片激光扩束单元，包括激光器、扩束元件和反射镜，由激光器发射的激光束经扩束元件调制为片激光，经反射镜照射到振荡液滴，产生彩虹信号；

信号采集及处理单元，包括数字相机和视场透镜，将不同高度振荡液滴的彩虹信号通过光学滤波分别成像在数字相机的不同像素行上，并以数据的形式输出。

进一步地，液滴发生器可为单分散液滴流发生器或单液滴发生器，分别用以产生振荡的液滴流和单液滴。

其中，激光器为连续激光器，用于产生强度可调的激光束，扩束元件将出射的激光束扩束为片激光，反射镜安装于旋转台上，用于将片激光反射到液滴及其运动轨迹上。

所述反射镜安装于旋转位移台上。

所述扩束元件为扩束器或透镜组。

所述信号采集及处理单元包括视场透镜、水平狭缝光阑及面阵数字相机；从液滴发出的散射光，依次通过视场透镜、水平狭缝光阑后进入面阵数字相机。其中，视场透镜为凸透镜，凸透镜、水平狭缝光阑及数字相机依次设置在液滴的彩虹角区域且共线。并且，水平狭缝光阑设置在凸透镜的后焦面上。

其中，液滴在不同高度散射的彩虹信号由视场透镜收集，位于视场透镜焦平面的水平狭缝光阑使得只有水平进入视场透镜的彩虹信号才能通过，从而使不同高度的液滴的彩虹信号分离开；通过调整数字相机距水平狭缝光阑的距离，控制视场区域大小；调整液滴发生单元的高度，使数字相机记录液滴由振荡到成稳定球形的彩虹图像。

所述水平狭缝光阑宽度可调，线宽为0.5mm～5mm，位于视场透镜的后焦平面。

所述信号采集及处理单元包括视场透镜和线阵数字相机，从液滴发出的散射光通过视场透镜进入线阵数字相机。

进一步的，本实用新型提供的装置还包括线性移动及转动装置。单分散液滴流发生器或单液滴发生器安装在具有五个自由度的位移平台上，用于调整液滴轨迹的位置和准直；数字相机安装在线性位移台上，控制所收集散射信号对应的液滴高度。

上述装置对液体表面张力与粘度同时在线测量的方法，包括以下步骤：

(1)液滴发生单元产生在二阶模态下振荡的液滴，所述液滴的横截面为椭球形；

(2)激光扩束单元产生片激光并照射到振荡的液滴及其运动轨迹，产生彩虹信号；信号处理及采集单元记录振荡的椭球液滴到形成稳态时球形液滴的彩虹图像；

(3)对彩虹图像中的彩虹信号高度及散射角进行标定，获得像素列与散射角的标定曲线；提取彩虹图像中的信号并与标定曲线相对应，并对稳态时彩虹图像进行反演，得到球形液滴的折射率和半径；

(4)结合球形液滴的折射率和半径，根据振荡的椭球液滴与稳态时球形液滴彩虹图像的彩虹角偏移，得到液滴下落过程中椭球度的演化情况；将液滴椭球度信息转化为振荡幅值信息，利用阻尼振荡函数进行拟合；由拟合得到阻尼振荡函数的振荡频率和时间常数，分别得到液体的表面张力及粘度值。

进一步地，步骤(3)中对彩虹信号高度及散射角进行标定的方法为：

在片激光扩束单元的主光轴延伸方向的液滴测量区域设置一个带有旋转位移台的反射镜，调节旋转位移台，先使反射镜反射的光线与光学系统单元的主光轴重合，并记录旋转位移台的初始角度，微调旋转位移台的转动角度，记录旋转角度与反射光在数字相机上的位置，结合液滴发生单元中激光器发射的激光束与光学系统单元的主光轴的角度，可以得到标定点的散射角度，进而得到信号处理及采集单元中的数数字相机像素与散射角之间的关系。同步调整反射镜及激光器的上下高度，测量高度的变化量并重复上述测量过程，得到一维线上不同高度的测量点与数字相机像素上下行的对应关系。

进一步地，椭球液滴的角偏移与液滴椭球度的关系由公式计算：

其中，θgn，θrg分别为相同体积的椭球液滴与球形液滴的几何彩虹角；ξ为椭球液滴的椭球度；β，θrg分别由以下公式获得：

其中，m为液滴的折射率。

进一步地，液滴的极半径可由下式表示：

其中，r0为相同体积球形液滴的半径；θ为椭球的极角；a(t)为液滴振荡幅值随时间的变化函数，其与液滴椭球度的关系可表示为：

并由以下公式进行拟合：

a(t)＝a0exp(-t/τ)·sin[ω·t+φ]+c(6)

其中，a0，φ为0时刻液滴振荡的幅值及相位；τ、ω为振荡的时间常数及频率；c为非对称振荡的偏移。

基于rayleigh和lamb对液滴自由振荡的描述，振荡的时间常数与频率分别与液体粘度μ和表面张力σ相关，在二阶振荡模态下，由以下公式决定：

其中，ω由式修正，ρ为液体密度，r0为液滴在稳态时的半径。

本实用新型的优点在于：非接触式在线测量液滴的表面张力及粘度，不会对样品造成污染；液滴的彩虹角对其椭球度十分敏感，使得较小的变形可被数字相机探测并分辨；将液滴的位置信息转换为液滴振荡变形的时间信息，极大提高了系统的时间分辨率。

本实用新型提供的液体表面张力与粘度同时在线测量的方法及装置，实现了液体表面张力与粘度的同时在线测量；具有操作简便、耗时短、适合过冷、过热等极端情况下的液体参数测量等特点；能够快速、精确、有效地确定液滴形成过程的瞬态表面张力及粘度。

附图说明

图1为本实用新型提供的一种液体表面张力与粘度同时在线测量装置的结构示意图；

图2为本实用新型提供的另一种液体表面张力与粘度同时在线测量装置的结构示意图；

其中，1、激光器；2、扩束元件；3、反射镜；4、视场透镜；5、水平狭缝光阑；6、面阵数字相机；7、单分散液滴流发生器；8、注射泵；9、压电驱动器；10、液滴流；11、线阵数字相机；12、单液滴发生器；13、单液滴及其运动轨迹；

图3为实施例1中提供的面阵数字相机所记录的彩虹图像；

图4为实施例1中彩虹图像振荡的拟合结果。

具体实施方式

下面通过实例，并结合附图对本实用新型具体实施方式作进一步说明。

实施例1

如图1所示，为本实用新型提供的一种液体表面张力与粘度同时在线测量的装置的结构示意图，包括液滴发生单元、片激光扩束单元和信号采集及处理单元。其中，液滴发生单元包括单分散液滴发生器7、注射泵8和压电驱动器9，用于产生稳定的单分散液滴流10；片激光扩束单元包括激光器1、扩束元件2和反射镜3，用于产生片光源并照射到液滴流；信号采集及处理单元包括视场透镜4、水平狭缝光阑5和面阵数字相机6。并且，片激光扩束单元和信号采集及处理单元分别位于两个直线导轨上。

具体地，在本实施例中：激光器1采用波长为532纳米的半导体连续激光器；扩束元件2为20倍的扩束器，将2毫米的激光扩束为40毫米；视场透镜4直径100毫米，焦距为150毫米；水平狭缝光阑5的狭缝宽度为1毫米；面阵数字相机像素大小为5.86微米，像素数量为1200×1920，有效测量区域高度为11.5厘米。用上述装置测量液体表面张力与粘度的方法包括以下步骤：

步骤1：开启液滴发生单元：利用软管连接注射泵8和单分散液滴流发生器7，并将压电驱动器9通过导线连接到单分散液滴流发生器7的压电陶瓷片的正负极。连接完毕后，注射泵8将待测液体推入单分散液滴流发生器7中，调整注射泵8的流量、压电驱动器9的激励频率等参数，使单分散液滴流发生器7的射流破碎过程处于rayleigh机制下，以产生二阶振荡(二阶模态)的单分散液滴流10；

步骤2：开启激光器1，使激光经扩束元件2后扩束为片激光，调整反射镜3的角度和位置，使片激光照射到液滴流10上。

步骤3：调整信号处理及采集单元的位置及角度，使其位于液滴的彩虹区域附近；同时调整面阵数字相机6距水平狭缝光阑5的距离，控制所记录的视场大小；调整单分散液滴流发生器7的高度，使面阵数字相机6记录单分散液滴流10从液滴振荡到成稳定球形的彩虹图像，如图3。

步骤4：记录完毕后，使用片激光扩束单元、反射镜和台架系统对彩虹信号高度及散射角进行标定，获得像素列与散射角的标定曲线；具体为：

在片激光扩束单元的主光轴延伸方向的液滴测量区域设置一个带有旋转位移台的反射镜；调节旋转位移台，使反射镜反射的光线与片激光扩束单元的主光轴重合，记录旋转位移台的初始角度；微调旋转位移台的转动角度，记录旋转角度与反射光在数字相机上的位置，结合记录的位移台初始角度，可得到标定点的散射角度，进而得到信号处理及采集单元中的数字相机像素与散射角之间的关系；

同步调整反射镜及片激光扩束单元的上下高度，记录光束在数字相机上的位置，可以得到一维线上不同高度的测量点与数字相机像素上下行的对应关系。

步骤5：提取所记录的彩虹图像中每隔40个像素行的信号，将其与标定曲线对应，并对稳态时的彩虹图像进行反演，得到球形液滴的折射率m和半径r0。

步骤6：利用处理程序快速分析得到液体的表面张力和粘度信息。处理过程包括：首先计算振荡液滴与稳态时液滴彩虹图像的角度偏移△θ，利用公式(1)计算液滴椭球度的演化；利用公式(5)将液滴椭球度转化为振荡幅值信息，并利用公式(6)对其进行拟合；由拟合得到阻尼振荡函数的振荡频率和时间常数，分别利用公式(7)和公式(8)得到液体的表面张力及粘度值。

如图4所示，温度20.3℃、稳态半径为71.5微米的乙醇液滴，测量得到的振荡频率与时间常数分别为24840赫兹和0.672毫秒，对应的表面张力和粘度值分别为73.72mn/m和1.09mpa·s。

实施例2

如图2所示，为本实用新型提供的另一种液体表面张力与粘度同时在线测量装置，包括液滴发生单元、片激光扩束单元和信号采集及处理单元。其中，液滴发生单元包括单液滴发生器12、注射泵8、压电驱动器9，用于产生振荡的单液滴13；片激光扩束单元包括激光器1、扩束元件2和反射镜3，用于产生片光源并照射到液滴及其运动轨迹；信号采集及处理单元包括视场透镜4和线阵数字相机11。用上述装置测量液体表面张力与粘度的方法包括以下步骤：

步骤1：开启液滴发生单元：利用软管连接注射泵8和单液滴发生器12，并将压电驱动器9通过导线连接到单液滴发生器12的压电陶瓷片的正负极。连接完毕后，注射泵8将待测液体推入单液滴发生器12中，调整注射泵8的流量、压电驱动器9的激励频率等参数，使单液滴发生器12以一定时间间隔产生二阶振荡的单液滴13。

步骤2：开启激光器1，使激光经扩束元件2后扩束为片激光，调整反射镜3的角度和位置，使片激光照射到液滴13及其运动轨迹上；

步骤3：调整信号处理及采集单元的位置及角度，使其位于液滴的彩虹区域附近；操控线阵数字相机11记录单液滴13液滴振荡的彩虹图像；

使用本实施例所述的液体表面张力与粘度同时在线测量装置标定彩虹信号高度、角度，及数据处理的方法如实施例1。

以上对本实用新型所提供的一种液体表面张力与粘度同时在线测量装置进行了详细介绍，实施例的说明只用于帮助理解本实用新型的方法，不应理解为对本实用新型的限制。