一种基于液滴体积测量液体的表/界面张力的装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及液体的表面张力或界面张力的测量领域，具体是一种通过测量液滴脱 落时的体积来确定液/气-表面张力或液/液-界面张力的测量装置及方法。
【背景技术】
[0002] 液体在气相或真空中的表面张力和二个不相溶液相之间的界面张力缘由液体分 子间的静相互吸引力，它不但是一个基本的物理参数，而且在许多工业生产过程中和对产 品质量检测起着关键的作用，例如生产表面活性剂，喷墨打印机的油墨制造，表面张力的控 制对产品质量都至关重要。
[0003] 目前对液体表/界面测量方法有诸多装置及其方法，但都还停留在实验室人工操 作完成，要在工业生产过程中实现对产品质量控制还存在许多不足。如CN201210566160. 3 提出一种基于轴对称液滴轮廓曲线和体积的液体表面张力测量方法，该方法虽然采用摄制 液滴图像，但仍然是人为选定一个测量点，在这个选定测量点上人为测定相关的几何参数， 不仅工作麻烦，测量速度慢，更重要的是由于人为选定测量点和人为测定测量点的几何参 数，必然导致人为误差，测量结果误差都在5%以上，这种方法不能在工业生产过程中对产 品质量提供控制参数，也不可能对液体表/界面张力实施动态监测。
【发明内容】
[0004] 本发明提供一种基于液滴体积测量液体的表/界面张力的装置及方法，达到快 速、准确测定并实时显示被测液体表/界面张力，使该装置能在许多工业生产过程中对产 品质量提供控制参数。
[0005] 本发明的设计方案是： 一种基于液滴体积测量液体的表/界面张力的装置，包括加液单元、毛细管、背景光 源、摄像单元以及控制摄像单元和加液单元工作的计算机单元，其特征是所述加液单元至 少设一计量注射器和连接第一计量注射器与所述毛细管之间的第一管路，所述毛细管的出 口端设于气相或与待测液体不相溶液相的光路方向全透光的第一容器中；所述摄像单元对 准毛细管端口为基准位置设定液滴脱离的检测图像区域，所述计算机单元通过摄像单元记 载相邻液滴脱离毛细管端口时的体积差计算液体的表/界面张力。
[0006] 所述加液单元还包括由第二管路与第一计量注射器的进液端相接的第二容器组 成的第一加液单元，所述第二容器内盛装有待测液体，待所述第一计量注射器内的待测液 体耗尽时或需要更换待测液体时，通过第二管路将第二容器内的待测液体或更新的待测液 体输送至第一计量注射器内。
[0007] 所述加液单元进一步包括由第三管路与第二计量注射器进液端口相连的第三容 器组成的第二加液单元，第二计量注射器的出液端经由第四管路与第二容器相接，所述第 三容器内盛装有待测液体的溶剂或母液，在所述计算机单元控制下通过所述第二加液单元 的分配阀门往第二容器注入待测液体的溶剂或母液。
[0008] 所述加液单元进一步包括由第五管路与第三计量注射器进液端相连的第四容器 组成的第三加液单元，第三计量注射器出液端经由第六管路与第一容器相接，所述第四容 器内盛装有液相溶剂或其他溶液，在所述计算机单元控制下通过所述第六管路往第一容器 注入液相的溶剂或其他溶液。
[0009] -种通过前述装置测量液体的表/界面张力的方法，其特征是包括如下步骤： a、 启动计算机单元控制程序，输入测量数据和相关参数：包括毛细管的管径，液滴相和 周围相的密度，测量地的重力加速度，加液速度，测量次数； b、 摄像单元对准毛细管端口，调节毛细管至合适位置使毛细管端口成像清晰，计算机 单元以毛细管端口为基准位置设定液滴脱离检测的图像区域； c、 加液单元往毛细管加入待测液体，在毛细管的端口形成液滴至脱离，由摄像单元对 液滴形成至脱离进行拍摄连续的液滴图像，计算机单元从液滴图像中确定液滴脱离毛细管 端口的时间点； d、 计算机单元读取液滴脱落时计量注射器所处的体积位置，与前一液滴脱离时计量注 射器的体积差值，得出当前脱离液滴的体积； e、 计算机单元根据脱离液滴的体积及毛细管径计算出校正因子，根据校正因子、脱离 液滴的体积和输入的相关参数计算出待测液体的表/界面张力。
[0010] 所述b步中液滴脱离检测的图像区域包括脱落前液滴图像一部分。
[0011] 当所述毛细管的端口朝上时，所述用于液滴脱离检测的图像区域位于毛细管端口 的上方，当所述毛细管的端口朝下时，所述用于液滴脱落检测的图像区域位于毛细管端口 的下方。
[0012] 所述c步中确定出液滴从毛细管端口脱离的时间点的步骤具体为：由计算机单元 计算所述液滴脱离检测图像区域内的像素灰度平均值，当该值发生剧烈变化时确定为液滴 脱离时间点。即由计算机单元计算所述液滴脱离检测图像区域内的像素灰度平均值或任一 与此值成正相关关系的值，当该值发生剧烈变化时，确定为液滴脱离时间点。
[0013] 如果第二容器内的液体不断地或以一定的时间间隔取之于某一需要被监测的(过 程中的）液体样品，或者第一加液单元进液端直接与被监测的液体样品相连时，装置可用于 监测液体表面张力随时间的动态变化。由计算机单元控制第二计量注射器往第二容器内添 加待测液体的溶剂或母液，改变待测液体某一组分的浓度，用于测量液体表面张力随溶液 组分浓度的变化，从变化曲线可以确定表面活性剂溶液的临界胶束浓度值。
[0014] 由计算机单元控制第三计量注射器往第一容器内添加液相的溶剂或母液，改变第 一容器内液相的化学组成或浓度，用于测量化学组成或浓度对界面张力的影响。在向待测 液体添加溶剂或母液时，应对添加后的待测液体设搅拌器进行搅拌，使之混合均匀。
[0015] 前面所述的装置也可以在通常的光学视频接触角或/和悬滴法表/界面张力测量 仪器已有的组件的基础上，通过替加必要的、缺少的部件，建立起来。
[0016] 本发明的有益效果是：由计算机单元控制加液单元和摄像单元工作，通过对监测 图像区域像素灰度值的剧烈变化的检测确定液滴脱离的时间点，计算出当前脱离液滴的体 积，进而计算出待测液体的表/界面张力。测量装置结构简单，测量方法操作容易，抗干扰 能力强，能在实时显示测量值，测量精度高，由液滴脱离的时间点的不确定性引入的测量误 差为0. 05%，可用于监测液体表/界面张力随时间的动态变化，以及用于确定表面活性剂溶 液的临界胶束浓度值。
【附图说明】
[0017] 图1是本发明实施例一提供的测量装置的结构示意图。
[0018] 图2是本发明实施例一中从一个水/空气-液滴脱落前、后获得的连续图像，其中 相邻图像的间隔时间为30ms，从左到右、从上到下分别为A1^ B广C广D i表示。
[0019] 图3是液滴脱落检测的图像区域内像素灰度平均值在水/空气-液滴形成、成长 和脱落过程中的变化图。
[0020] 图4是本发明实施例一测量得到的水在空气中的表面张力值随单个液滴的变化 (波动）图。
[0021] 图5是本发明实施例二中从一个水/食用油-液滴脱落前、后获得的连续图像，其 中相邻图像的间隔时间为67ms，从左到右、从上到下分别为A2- B 2- C 2- D 2表示。
[0022] 图6是液滴脱落检测的图像区域内像素灰度平均值在水/食用油-液滴形成、成 长和脱落过程中的变化图。
[0023] 图7是本发明实施例三提供的测量装置的结构示意图，其可用于全自动测量临界 胶束浓度（CMC)。
[0024] 图8是本发明实施例四提供的测量装置的毛细管端口朝上结构示意图。
[0025] 图9是本发明的计算机单元对加液单元和摄像单元的控制流程图。
【具体实施方式】
[0026] 下面结合实施例对本发明作进一步详细说明，但实施例不是对本发明保护范围的