Портативное устройство для измерения углов смачивания поверхностей и поверхностного натяжения жидкостей

Устройство предназначено для измерения угла смачивания твердых поверхностей жидкостями, а также для измерения поверхностного и межфазного натяжения жидкостей, в статическом и динамическом режимах. Устройство может применяться в химической, лакокрасочной, фармацевтической, косметической и других отраслях промышленности, а также для оценки коррозионного состояния трубопроводов, опор линий электропередач и т.п. в полевых условиях. Устройство содержит видеокамеру, телецентрический объектив, регулируемый столик для образцов, дозатор жидкости, осветитель, и компьютер для записи изображений капель и обработки результатов измерений. Портативность установки достигается за счет того, что в качестве оптической системы используется телецентрический объектив с перестраиваемым рабочим расстоянием при фиксированном увеличении, в качестве видеокамеры используется USB-камера, а в качестве осветителя -светодиодный осветитель. Питание и управление работой видеокамеры и источника освещения осуществляется через USB порт ноутбука, в котором также осуществляется запись и обработка изображений капель жидкостей на тестируемых поверхностях, вычисление величин краевых углов и других требуемых характеристик капель.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Источники информации

1. Адамсон А. Физическая химия поверхностей. М.: Мир, 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.

3. Redon C., Ausserre D., Rondelez F.//Macromolecules. 1992. V.25. 22. P.5965.

4. Емельяненко A.M. // Физикохимия поверхности и защита материалов. 2009. Т.45. 1. С.92.

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.