DE2910201A1 - Automatic measurement of surface tension and wetting angle - using optical measurement of drop or bubble illuminated by parallel light - Google Patents
Automatic measurement of surface tension and wetting angle - using optical measurement of drop or bubble illuminated by parallel lightInfo
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Abstract
Description
Verfahren zur automatischen Messung der OberflächenspannungProcedure for the automatic measurement of surface tension
und des Benetzungswinkels flüssiger Stoffe Die Oberflächenspannung und der Benetzungswinkel (Randwinkel) flüssiger Stoffe stellen physikalische Kenngrößen dar, deren Messung im Bereich der Forschung, Entwicklung und der Produktionskontrolle erforderlich ist.and the wetting angle of liquid substances The surface tension and the wetting angle (contact angle) of liquid substances represent physical parameters their measurement in the field of research, development and production control is required.
Neben den Verfahren, die auf Messung einer Kraft oder der Steighöhe in Kapillaren beruhen, besteht eine Gruppe von Meßverfahren in der geometrischen Vermessung der optischen Abbildung eines Tropfens oder einer Blase des flüssigen Stoffes, dessen Oberflächenspannung oder Benetzungswinkel gemessen werden soll. Mit Hilfe bekannter mathematischer Beziehungen oder Tabellen kann aus wenigen geometrischen Kenngrößen des Tropfens oder der Blase die Oberflächenspannung der Flüssigkeit ermittelt werden. Solche geometrischen Kenngrößen sind z. B. speziell definierte Höhen und Durchmesser des hängenden oder liegenden Tropfens oder der Luftblase. Bei den bisher üblichen Meßeinrichtungen werden diese Kenngrößen und der Benetzungswinkel durch visuelle Beobachtung unter Verwendung einer optischen Abbildung ermittelt. Zur Messung werden Hilfslinien (Skalen, Tangenten) in das FEld des Tropfens bzw. der Blase eingespiegelt. Zur Bestimmung der Hysterese des Benetzungswinkels ist die Differenz der Benetzungswinkel der sich ausbreitenden und sich zurück ziehenden Flüssigkeit zu berechnen.In addition to the method based on measuring a force or the height of climb based in capillaries, there is a group of measuring methods in the geometric Measurement of the optical image of a drop or a bubble of the liquid Substance whose surface tension or wetting angle is to be measured. With the help of known mathematical relationships or tables, geometric Characteristics of the drop or the bubble determines the surface tension of the liquid will. Such geometric parameters are z. B. specially defined heights and Diameter of the hanging or lying drop or air bubble. With the so far These parameters and the wetting angle are determined by conventional measuring devices visual observation determined using an optical image. For measurement auxiliary lines (scales, tangents) are reflected in the field of the drop or bubble. To determine the hysteresis of the wetting angle, the difference is the wetting angle the spreading and retreating fluid.
Die Mennung der DbP! lchenspannung und des Benetzungswinkels wird in Labors und Produktionsprozessen häufig durchgeführt.The name of the DbP! lchen tension and the wetting angle frequently carried out in laboratories and production processes.
Zur Entlastung des Menschen und zur Genauigkeitserhöhung ist ein automatisches Meßverfahren notwendig. Ferner ist eine online-Messung wünschenswert, damit ein Produktionsprozeß in Abhängigkeit vom Meßergebnis beeinflußt werden kann. Die heute bekannten visuellen Beubachtungsverfahren können nur mit großem Aufwand automatisiert werden, da der zu vermessende Tropfen i. a. einen geringen Kontrast gegenüber dem Hintergrund aufweist. Ferner sind diese Verfahren zu zeitaufwendig. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Messung der Oberflächenspannung und des Benetzungswinkels so zu automatisieren, daß sie auch für eine on-line-Messung geeignet ist.To relieve the burden on people and to increase accuracy is an automatic Measuring procedure necessary. In addition, online measurement is desirable in order to provide a Production process can be influenced depending on the measurement result. Today known visual observation methods can only be automated with great effort because the drop to be measured i. a. a low contrast to that Has background. Furthermore, these procedures are too time consuming. The invention lies the task is based on the measurement of the surface tension and the wetting angle to automate so that it is also suitable for an on-line measurement.
Erfindungsgemäß werden daher eine Beleuchtungsanordnung und eine optische Beobachtungseinrichtung vorgeschlagen, so daß ein kontrast reiches Bild des Flüssigkeitstropfens bzw. der Blase erfaßt und selbsttätig vermessen werden kann. Die Vermessung des Tropfens erfolgt mit an sich bekannten Verfahren der Opto- und der Digitalelektronik.According to the invention, therefore, a lighting arrangement and an optical Observation device proposed so that a high-contrast image of the liquid drop or the bladder can be detected and measured automatically. The measurement of the Droplets are carried out using methods known per se from opto and digital electronics.
Die Wirkungsweise der Erfindung wird im folgenden näher erläutert. In Fig. 1 ist die Seitenansicht eines auf einer ebenen unterlage 2 liegenden Flüssigkeitstropfens 1 dargestellt, dessen Oberflächenspannung bzw. Benetzungswinkel zu ermitteln ist. Bei den bisher üblichen Verfahren wird diese Seitenansicht durch visuelle Beobachtung ausgewertet. Der Winkel 3 ist der Benetzungswinkel, die Strecken 4 und 5 sind der maximale Tropfenhalbmesser und die Höhe über diesem Halbmesser, aus denen die Oberflächenspannung rechnerisch ermittelt werden kann. Die Beobachtung des Tropfens erfolgt vor dem Hintergrund 6.The mode of operation of the invention is explained in more detail below. In Fig. 1 is the side view of a lying on a flat base 2 drop of liquid 1, whose surface tension or wetting angle is to be determined. In the previously common methods, this side view is determined by visual observation evaluated. Angle 3 is the wetting angle, stretches 4 and 5 are the maximum drop radius and the height above this radius that make up the surface tension can be determined arithmetically. The observation of the drop takes place before the Background 6.
Die Wahl der Beleuchtung und des Hintergrundes gemäß der Er findung ist in Fig. 2 anhand der Draufsicht auf den Tropfen 1 und den Hintergrund 6 beispielhaft gezeigt. Eine Lichtquelle, die paralleles Licht 7 aussendet, beleuchtet den Tropfen und den Hintergrund. Bei Verwendung eines ebenen, verspiegelten Hintergrunds 6 wird mit Hilfe einer optischen Einrichtung, deren Achse parallel zum einfallenden Licht verläuft, ein dunkles Bild des Tropfens vur dem hellen Hintergrund erhalten. Eingezeichnet sind Strahlen, die den Tropfen durchdringen und solche, die an ihm vorbeigehen. In Fig. 3 ist der Intensitätsverlauf entlang eines horizontalen Durchmessers des Tropfens dargestellt.The choice of lighting and the background according to the invention is exemplary in FIG. 2 based on the top view of the drop 1 and the background 6 shown. A light source that emits parallel light 7 illuminates the drop and the background. If you are using a flat, mirrored background, 6 will be with the help of an optical device whose axis is parallel to the incident light runs, a dark image of the drop is obtained against the light background. Drawn in are rays that penetrate the drop and those that pass it. In Fig. 3, the intensity profile is along a horizontal diameter of the Drop shown.
Neben dieser Auflichtbeleuchtung ist auch eine gerichtete Durchlichtbeleuchtung geeignet.In addition to this incident light illumination, there is also directed transmitted light illumination suitable.
Die elektronische Auswertung der Abbildung des Tropfens erfolgt in bekannter Weise mit Hilfe eines optisch-elektrischen Wandlers, der sich in der optischen Einrichtung befindet. Geeignet sind Widicons oder Halbleiterbildwandler. Die von dem Wandler abgegebenen Signal werden einer Schweliwertoperation unterzogen; damit wird ein t3inCirwertiges Signal erzeugt, das seinen Wert am Rand des Tropfens rungförmig ändert. Durch elektronische Zähl-und Rechenschaitungen können die Durchmesser und Höhen des Tropfens bestimmt werden und daraus die Oberflächenspannung berechnet werden. In entsprechender Weise wird der Benetzungswinkel erhalten. Der bei Beleuchtung nach Fig. 2 im Zentrum des Tropfens entstehende helle Fleck kann durch logische Verknüpfungen bei der elektronischen Auswertung unterdrückt werden.The electronic evaluation of the image of the drop takes place in known way with the help of an opto-electrical converter, which is located in the optical Facility is located. Widicons or semiconductor image converters are suitable. The from the converter output signal become a threshold operation subjected; this generates a t3inCir-valued signal that has its value at the edge of the drop changes in the shape of a ring. With electronic counting and arithmetic circuits you can the diameter and height of the drop are determined and from this the surface tension be calculated. The wetting angle is obtained in a corresponding manner. Of the when illuminated according to FIG. 2 in the center of the drop resulting light spot can can be suppressed by logical links in the electronic evaluation.
Zur Anpassung an unterschiedllche oder schwankende Reflexions-und Beleuchtungsbedingungen ist es möglich, die Schwelle adaptiv zu verändern; beispielsweise werden hierzu die dem hellsten und dem dunkelsten Bildpunkt entsprechenden Signalwerte gemessen und als Schwelle der arithmetische Mittelwert eingestellt.To adapt to different or fluctuating reflection and Lighting conditions it is possible to adaptively change the threshold; for example the signal values corresponding to the brightest and the darkest pixel are used for this purpose measured and set the arithmetic mean value as the threshold.
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DE2910201A1 true DE2910201A1 (en) | 1980-09-18 |
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Family Applications (1)
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- 1979-03-15 DE DE19792910201 patent/DE2910201A1/en not_active Ceased
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