高精度控制液滴水平，进而实现减少液滴 移动的目的；（6)没有形成一个整体的测试装置，协调完成旋转滴条件的界面张力测值（7) 界面张力算法比较单一，测值误差比较大；等等。
[0010] 二、旋转滴法测试界面张力的方法的理论背景： 目前的旋转滴法测试界面张力通常停留在简单的使用变换了的公式（Vonnegut)上，该 个公式无法用于测试近似楠球形旋转滴的界面张力值。而且，该个公式是推导出来的，与精 确测值有一定差距。在实际应用中，虽然Prinzen对化ung-Laplace方程进行了简单的求 解，但没有实现数字拍照并将真实液滴轮廓与理论化ung-Laplace曲线拟合，也就无法应 用于真实的测值过程。
[0011] 虽然 1855 年，Beer (Beer, A. , Annalen der Physik und Qiemie von 化ggendo;rff, (1855) 96, 210.)发现旋转滴（Spinning化op),但他视种液滴形态为有 缺陷的。1873年，Plateau正式将旋转滴法（Spinning化op)作为一种液滴形态提出，并 力口 W重视（Plateau, J. A. F. , "Statique Experimentale et Theorique des Liquides, etc. ", Gauthier-Villars, Paris, 1873.)。作为一种测试方法用于测试界面张力，贝Ij 是由 Vonnegutl942 年提出的（Vonnegut, B., Rev. Sci. Instrum. (1942) 13, 6.)。 Vonnegut在他的文章中采用能量分析的理论，推导出了一种用于分析气泡或低密度液相的 长度远大于其直径从而液滴形态近似可W看作两端半球形的圆柱的方程： y = A P ?2r3/4 (公式；1) 在Vonnegut的文章中，他同时提出了一个根据旋转滴液滴形态下根据拍得的液滴图 片上的轮廓坐标（X，Y)求解旋转滴时接触角的办法，但应用起来非常复杂。
[0012] 公式1是目前旋转滴法界面张力测试仪器使用的最经典公式，被称为Vonnegut公 式。过程中，其他研究人员对公式1采用不同的与Vonnegut能量分析的方式进行了推导，得 出了相同的结果。（Jean-Louis Salager，PRINCIPLE OF T肥 SPINNING DROP TENSIOMETER, 2006 ;Josefina Viades-Trejo. Spinning drop method From Young - Laplace to Vonnegut, Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects 302 (2007) 549 -552)。
[0013] 在推导过程中，最常用的一个界面化学方程为旋转滴形态时的化ung-Laplace方 程，如下所示：
【主权项】
1. 一种超高压、高温旋转滴法测界面张力和接触角的装置，其特征在于，包括： 一套超高压、高速旋转接头的旋转滴样品管及其密封结构； 一套可拔插结构的旋转滴样品管机构； 一套可以为样品管内动态增压的增压装置以及相应控制管路结构； 一套采用蜗轮蜗杆结构控制液滴移动的光学旋转平台； 一套以气热式温控模式控制样品管内部被测样品温度的温控系统； 一套注入气体和被测外相液，并增加压力至超高压的注入加压系统；一套统筹控制高 速电机、光学旋转平台、温控系统与读取和LED背景光控制的电气控制系统。
2. 根据权利要求1所述超高压、高温旋转滴法测界面张力和接触角的装置，其特征在 于，所述超高压、高速旋转接头的旋转滴样品管及其密封结构包括旋转滴样品管、由定子和 转子组成的动态密封装置、以及温度传感器、增加泵、高压毛细管、压力传感器、阀门、三通， 转子设于定子内部，旋转滴样品管底端与动态密封装置的转子内部的中空轴结构密封固定 连接，动态密封装置的定子部分有一个用于连接增加泵的螺纹孔，增加泵与动态密封装置 的定子部分通过高压毛细管连接，增加泵通过该螺纹孔和转子内部的轴芯孔与旋转滴样品 管贯通，定子底部穿插设有温度传感器，温度传感器的感应端与转子内部的轴轴芯孔相连 通。
3. 根据权利要求1所述超高压、高温旋转滴法测界面张力和接触角的装置，其特征在 于，所述超高压、高速旋转接头的旋转滴样品管及其密封结构还包括旋转滴样品管保护罩， 旋转滴样品管保护罩套于旋转滴样品管外部，旋转滴样品管保护罩采用了钛合金或不锈钢 或鹤钢制成。
4. 根据权利要求1所述超高压、高温旋转滴法测界面张力和接触角的装置，其特征在 于，所述旋转滴样品管为两端开口或者一端开口的结构，旋转样品管采用蓝宝石玻璃或石 英玻璃制成。
5. 根据权利要求1所述超高压、高温旋转滴法测界面张力和接触角的装置，其特征在 于，所述可拔插结构的旋转滴样品管机构包括：伺服高速电机、旋转滴样品管、弹簧夹头、密 封垫，旋转滴样品管与伺服高速电机连接的一端设有弹簧夹头，弹簧夹头外围设有密封垫， 密封垫外围与旋转滴样品管保护罩接触，旋转滴样品管保护罩底部也设有密封垫。
6. 根据权利要求1所述的超高压、高温旋转滴法测界面张力和接触角的装置，其特征 在于，所述温控系统包括加热体的散热片、旋转腔体温度传感器、风扇，加热体的散热片设 于旋转滴样品管外部，加热体的散热片外部设有旋转腔体温度传感器和风扇。
7. 根据权利要求1所述的超高压、高温旋转滴法测界面张力和接触角的装置，其特征 在于，所述光学旋转平台包括步进电机数据接口、数据接口安装支架、手动控制旋钮、步进 电机、步进电机固定支架、旋转平台主体、蜗轮结构、蜗杆结构、旋转面板和刻度盘。
8. 根据权利要求1所述的超高压、高温旋转滴法测界面张力和接触角的装置，其特征 在于，所述注入加压系统包括：高压毛细管、三通阀、高压阀门、两个增压泵、压力传感器，一 个增压泵与气体快速接头连接，另一个增压泵与样品蓄水池连接，两个增压泵输出端均连 接至三通阀，并通过三通阀连接至超高压、高速旋转接头的旋转滴样品管及其密封结构。
9. 根据权利要求1所述的超高压、高温旋转滴法测界面张力和接触角的装置，其特征 在于，所述电气控制系统包括主控MCU，频闪控制MCU，光源驱动电路，电机驱动检测，温控 采集电路，温控驱动电路，数码管显示和按键输入，通信电路，主控MCU连接频闪控制MCU、 数码管显示和按键输入、通信电路、温控采集电路、3个电机驱动检测，3个电机驱动检测分 别为Ml电机驱动检测、M2电机驱动检测、M3电机驱动检测，Ml电机驱动检测还连接频闪控 制MCU，主控MCU还连接有非易失存储器，主控MCU还接入有电机编码器。
10. -种超高压、高温旋转滴法测界面张力和接触角的装置的测试方法，其特征包括以 下步骤： 一、 常微分离散方程组如下：
边界条件为xfyfsfO,界面张力旋转液滴时时0< 0 < 〇/2),三相体系接触角旋 转液滴时〇 < 9 <n 二、 求解Young-Laplace离散方程组的解法，其显著特征为：在使用软件绘制液滴轮 廓的理论曲线时使用如上（1)所提及的离散方程组，利用龙格库拉（Runge-Kutta)或欧位 (Euler)法或类似的方法求解理论曲线，并利用软件绘图的方式，显示相应的理论曲线以及 曲线上的各个坐标点（ Xi，yi); 三、 使用了一种同样或类似的绘制旋转液滴轮廓的实际曲线的方法，其显著特征为：利 用CANNY或SOBEL算法，利用成像系统拍摄得到旋转液滴轮廓图像中灰度的变化，设置合理 阈值，查找出液滴轮廓的边缘，并利用Spline算法作查找的边缘进行优化计算，得到液滴 轮廓的边缘点坐标值（XpYi)并有序排列，并利用软件绘图的方式，将查找边得的轮廓边缘 实际曲线标出； 四、 使用了一种牛顿法（Newton-Raphsonmethod)或最小二乘法算法，在输入密度差 AP、重力系数g、离心角度速《等常量值后，将曲率半径R0、接触角值0、界面张力值Y、 弧长S作为变量优化如上的Young-Laplace方程求解得出的理论曲线与查找液滴轮廓边缘 而得到的实际曲线，进而得到最终的顶点曲率半径R0、接触角值9、界面张力值Y、弧长S 等参数，并进而利用积分求面积和体积的方法，求得旋转液滴的面积和体积等参数的方法； 其中创新为：1、通过直接优化旋转液滴轮廓的Young-Laplace方程理论曲线和查找边缘所 得的实际曲线测试液-气或液-液界面张力值；2、没有几何算法的推导过程，优化得到界面 张力和接触角值；3、旋转滴界面张力测量时无需使用修正值；4、采用了真实液滴法或图像 轮廓法。
11. 根据权利要求10所述的超高压、高温旋转滴法测界面张力和接触角的装置的测 试方法，其特征在于，该方法的优化过程中采用了两种用于如上10所述优化过程的特殊算 法，用于优化出界面张力值y和接触角值e，其显著特征为： 一、 图像轮廓法：其特征在于：利用图像处理算法，拟合曲线，计算得出顶点的曲率半 径值的算法；进而，通过优化算法，优化得出接触角值e、界面张力值y、弧长s等所需测 试参数； 二、 真实液滴法：对轮廓曲线利用无因次变换方程和原始离散方程进行两次优化的算 法，其特征为：第一次优化过程，优化得出界面张力值Y与顶点曲率半径&之间的线性关 系式；第二次利用第一次的关系式，减少变量后，利用界面张力值Y的迭代，优化得出接触 角值e、界面张力值y、弧长s等所需测试参数，（2)所述的优化所用无因次方程组如下：
其中：X=x/R。，Y=y/R。，S=s/R。。
【专利摘要】本发明公布了一套在超高压、高温条件下采用旋转滴法测试界面张力以及接触角的测试装置和方法。本发明采用了一个具有蜗轮蜗杆结构的精密光学旋转平台控制旋转腔体和显微摄像系统水平，以控制液滴移动；一个控制电气系统装到电气控制箱内实现对高速电机、显微摄像系统以及温度系统的控制。超高压、高温旋转腔体中的样品管采用了两端开口技术并使用弹簧夹头技术实现样品管的可拔插，以方便清洗。在界面张力和接触角的计算方法上采用了轮廓拟合Young-Laplace方程的方法。本发明可以分析超高压、高温条件下的超低界面张力和接触角值，在油田、石化、新材料研究等领域，特别是油田三次采油中具有极高的推广价值。
【IPC分类】G01N13-00, G01N13-02
【公开号】CN104568672
【申请号】CN201410722574
【发明人】施建辉
【申请人】上海梭伦信息科技有限公司
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2014年12月4日