一种基于图像采集测定表面活性剂溶液浓度的方法与流程

本发明属于溶液浓度测量技术领域，具体涉及一种基于图像采集测定表面活性剂溶液浓度的方法。

背景技术：

溶液的浓度是指在一定量的溶液(或溶剂)中所含溶质的量。目前常用的浓度测定方法主要有滴定分析法、密度测定法和折光率测定法。滴定分析法，是一种化学分析方法，是将一种已知准确浓度的标准溶液逐滴滴加到待测溶液中，直到化学反应完全为止，然后根据所用标准溶液的浓度和体积求得待测溶液组分浓度的方法。密度测定法是根据单组分的溶液在一定的浓度范围内，其浓度与密度有固定的关系(c＝1000ρw/m，c为摩尔浓度，mol/l；ρ为密度，g/ml；w为质量分数，％；m为溶质摩尔质量，g/mol。)，而通过测定待测溶液的密度进而计算待测溶液浓度的方法，主要包括密度瓶测试法、浮力式密度计法、放射性密度计法和超声波测试法。密度瓶测试法是指在特定温度下，分别测定充满同一密度瓶的水及待测溶液的质量，由水的质量可以确定密度瓶的容积及待测溶液的体积，根据待测溶液的质量及体积即可计算其密度；浮力式密度计法是指在特定温度下，分别测量浮锤完全浸没在水里及待测溶液中的浮力，由于浮锤所排开的水的体积与所排开的待测溶液的体积相同，所以，根据水的密度及浮锤在水中和待测溶液中的浮力即可计算出待测溶液的密度；放射性密度计法是指利用放射性辐射(例如γ射线)穿过待测溶液时，辐射强度随待测溶液密度变化的原理来测量待测溶液密度的方法；超声波测试法是指超声波在特定温度下，在特定的浓度或密度的液体中的传递速度是确定的，当液体密度发生变化，则超声波的传导速度也相应变化，因此，液体在一定温度下超声波在其中传导速度的不同则反映了液体密度或浓度的相应变化。折光率测定法利用了光的折射原理，每一种溶液的浓度都会与光的折射率相关，测量光发生折射时的临界角即能够确定溶液的浓度。

滴定分析法及密度测定法中的密度瓶测试法化验数据滞后，在实际生产上不能及时调整溶液浓度；浮力式密度计法只能应用于相对静止的液体场合，且当液体分层时，容易造成测量误差；放射性密度计法对工作系统的维护要求特别高并对人体存在伤害；超声波测试法极易受起泡、杂质、振动等影响，造成测量误差；折光率测定法应用设备复杂昂贵，且对样品皿清洁程度要求极高。基于现有技术存在的问题，需要提出一种成本低、应用设备简单、易于操作的方法来准确测定溶液的浓度。

技术实现要素：

为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于图像采集测定表面活性剂溶液浓度的方法，本发明工艺流程简单、易操作。

本发明的目的是通过以下实验方案来实现：

一种基于图像采集测定表面活性剂溶液浓度的方法，包括如下步骤：

s1，配制表面活性剂已知浓度系列溶液；

s2，使用点样毛细管垂直插入s1配制的不同浓度表面活性剂溶液中，拍摄不同浓度表面活性剂溶液的毛细现象图像，并进行观察，得到表面活性剂不同已知浓度溶液对应的毛细管内表面活性剂溶液上升高度和润湿接触角，并建立关于表面活性剂溶液浓度、毛细管内表面活性剂溶液上升高度和润湿接触角的数据库；

s3，测量未知浓度的表面活性剂溶液的浓度时，使用点样毛细管垂直插入未知浓度的表面活性剂待测溶液中，并观察待测表面活性剂溶液毛细现象图像，得到毛细管内表面活性剂溶液上升高度和润湿接触角，再利用所述数据库获得表面活性剂待测溶液的浓度。

进一步的，s1和s3中通过显微镜摄像头录取表面活性剂溶液的毛细现象图像。

进一步的，表面活性剂溶液浓度与毛细管高度以及和润湿接触角具有如下关系：

其中，c为表面活性剂溶液质量浓度；σ为表面活性剂溶液表面张力；θ为表面活性剂溶液与毛细管表面润湿接触角；h为表面活性剂溶液在毛细管内上升高度。

进一步的所述数据库为关于表面活性剂溶液浓度、毛细管内表面活性剂溶液上升高度和润湿接触角的拟合曲线图。

进一步的，拟合曲线图中，其中一坐标轴以润湿接触角的余弦值与毛细管内表面活性剂溶液上升高度的比值为变量，另一坐标轴以表面活性剂溶液浓度为变量。

本发明具有如下有益效果：

本发明以毛细现象为原理，通过观察表面活性剂溶液的毛细现象图像，结合表面活性剂溶液降低表面张力和改变润湿性的特性，实现对未知浓度的表面活性剂溶液浓度的快速准确测量。本发明首先通过配制表面活性剂已知浓度系列溶液；然后使用点样毛细管垂直插入配制的不同浓度表面活性剂溶液中，观察并记录不同浓度表面活性剂溶液的毛细现象图像，以此建立足够的数据库；在测量未知浓度的表面活性剂溶液的浓度时，使用点样毛细管垂直插入未知浓度的表面活性剂待测溶液中，并观察待测表面活性剂溶液毛细现象图像，对应已知浓度表面活性剂溶液毛细现象图像，获得表面活性剂待测溶液的浓度。由上述可以看出，本发明的方法相比目前现存的浓度测试方法，工艺流程简单，易操作，无需使用昂贵的设备，所需的待测溶液少，测试更加便捷，工艺设备成本低，同一种表面活性剂溶液可使用相同的标准浓度表面活性剂溶液毛细现象图像，减少工作量；本发明的方法仅与表面活性剂溶液的表面张力和润湿接触角有关，因此对于不同试剂配方，不同表面活性剂类型，不同乳化性的表面活性剂也可适用，拥有更广泛的应用范围。

进一步的，数据库为关于表面活性剂溶液浓度、毛细管内表面活性剂溶液上升高度和润湿接触角的拟合曲线图，利用该拟合曲线图便于查找表面活性剂待测溶液的浓度，便于实际操作。

附图说明

图1为本发明实施例得到的表面活性剂溶液的毛细现象图像。

图2(a)为本发明实施例得到的表面活性剂溶液的毛细现象图像，其中溶质质量浓度为0.02％、润湿接触角θ＝47.95°、上升高度h＝5.64cm；

图2(b)为本发明实施例得到的表面活性剂溶液的毛细现象图像，其中溶质质量浓度为0.04％、润湿接触角θ＝46.21°、上升高度h＝5.55cm；

图2(c)为本发明实施例得到的表面活性剂溶液的毛细现象图像，其中溶质质量浓度为0.06％、润湿接触角θ＝45.89°、上升高度h＝5.43cm；

图2(d)为本发明实施例得到的表面活性剂溶液的毛细现象图像，其中溶质质量浓度为0.08％、润湿接触角θ＝45.47°、上升高度h＝5.39cm；

图2(e)为本发明实施例得到的表面活性剂溶液的毛细现象图像，其中溶质质量浓度为0.10％、润湿接触角θ＝45.82°、上升高度h＝5.15cm；

图2(f)为本发明实施例得到的表面活性剂溶液的毛细现象图像，其中溶质质量浓度为0.12％、润湿接触角θ＝44.07°、上升高度h＝5.03cm；

图2(g)为本发明实施例得到的表面活性剂溶液的毛细现象图像，其中溶质质量浓度为0.14％、润湿接触角θ＝44.01°、上升高度h＝4.88cm；

图2(h)为本发明实施例得到的表面活性剂溶液的毛细现象图像，其中溶质质量浓度为0.16％、润湿接触角θ＝44.63°、上升高度h＝4.81cm；

图2(i)为本发明实施例得到的表面活性剂溶液的毛细现象图像，其中溶质质量浓度为0.18％、润湿接触角θ＝45.18°、上升高度h＝4.57cm；

图2(j)为本发明实施例得到的表面活性剂溶液的毛细现象图像，其中溶质质量浓度为0.20％、润湿接触角θ＝43.79°、上升高度h＝4.60cm；

图3为本发明实施例得到的标准数据库；

图4为本发明实施例中待测溶液毛细现象图像。

图中，1-点样毛细管，2-表面活性剂溶液，3-空气。

具体实施方式

下面结合附图和实施例来对本发明做进一步的说明。

本发明基于图像采集测定表面活性剂溶液浓度的方法利用了毛细现象，其原理如下：

毛细现象，又称毛细管作用，是指液体在细管状物体内侧，由于内聚力和附着力的差异，克服地心引力而上升的现象，上升高度h为毛细管内液体上升高度，cm³；σ为液体表面张力，mn/m；θ为液体与毛细管表面润湿接触角，°；ρ为液体密度，g/cm³；g为重力加速度，m/s²；r为毛细管半径，cm。不同浓度的表面活性剂溶液具有不同的降低表面张力及改变润湿接触角的能力，因此不同浓度的表面活性剂溶液在毛细管内会产生不同的毛细现象，通过显微镜采集表面活性剂溶液在毛细管内的毛细管高度及管壁表面润湿接触角，对应已知浓度表面活性剂溶液毛细现象图像可知表面活性剂溶液的浓度。

表面活性剂溶液在毛细管内产生毛细现象，不同浓度的表面活性剂溶液具有不同的改变表面张力和润湿接触角的能力，因此不同浓度的表面活性剂溶液会发生不同的毛细现象，对应关系如下，

因此，应用显微镜采集并记录表面活性剂溶液的毛细现象图像，可测定表面活性剂溶液的浓度。

实施例

本实施例基于图像采集测定表面活性剂溶液浓度的方法，包括如下步骤：

步骤1，配制阴离子型表面活性剂(临界胶束浓度为0.20％、溶质质量百分数)已知浓度系列溶液；

步骤2，使用点样毛细管垂直插入不同浓度表面活性剂溶液中，并在显微镜下观察并记录不同浓度表面活性剂溶液的毛细现象图像，观察图像中毛细管内表面活性剂溶液上升高度和润湿接触角，如图1和图2(a)～图2(j)所示，根据不同的浓度以及得到表面活性剂溶液上升高度和润湿接触角建立标准数据库，该数据库的形式是以得到的数据拟合成曲线；

步骤3，使用点样毛细管垂直插入未知浓度的表面活性剂待测溶液中，并在显微镜下观察待测表面活性剂溶液毛细现象图像，待测溶液毛细现象图像如图4所示，根据图4可获取表面活性剂溶液上升高度为5.11cm、润湿接触角40.85°，根据图3所示的数据库，得到表面活性剂待测溶液的浓度为0.15％。