klikněte zde

Small Sample Surface Tension Measurement
System
J. Hošek
Φ
Abstract -- This paper presents an instrument design for
small sample surface tension measurement. Such instrument for
small sample volume measurement is necessary for liquids
measurement at unstable states, like super cooled state. The
principle of the instrument surface tension measurement
method is based on Ferguson method [1], which uses
measurement of pressure difference across a liquid sample
placed into small diameter capillary under condition of one flat
meniscus of the liquid sample. Planarity or curvature radius of
the capillary tip meniscus has to be measured and controlled, in
order to fulfill this condition during measurement. Meniscus
shape determination uses an
optical confocal principle.
Different photo detectors were used for optical data acquisition.
The highest sensitivity of optical data to applied pressure was
achieved with image processing of high resolution CCD camera.
chemický průmysl, a proto i metodika měření je velmi
rozsáhlá a propracovaná například v [5]. Nicméně pro
měření co nejmenšího množství kapaliny jsme se rozhodli
použít metodu vyvinutou Fergusonem [1] a později
aplikovanou i Hackerem [3] pro jeho měření, která využívá
vzorek kapaliny o objemu do 1 mm3 kapaliny.
A.
Princip Fergusonovi metody
Uvedená metoda využívá principu kapilárního tlaku, jak
je schematicky zobrazeno na obrázku 1.
Index Terms-- Meniscus, surface tension, measurement
instrument, capillary, super cooled liquid.
I.
ÚVOD
P
OVRCHOVÉ napětí kapalin je materiálová vlastnost
vypovídající o vnitřní struktuře tekutin a změně fáze
materiálu či fázových složek při jeho teplotních
změnách. Proto je studiu povrchového napětí kapalin
věnována velká pozornost, a například hodnoty povrchového
napětí vody jsou tabelovány a publikovány společností
International Association for the Properties of Water and
Stream - IAPWS [2]. Nicméně uvedené hodnoty
povrchového napětí jsou tabelované pouze pro teploty nad
trojným bodem vody, přestože byla voda v kapalném stavu
experimentálně pozorována až do teplot 205 K. Existují
historická měření hodnot povrchového napětí vody měřené
NACA [3] až do teploty 251 K. Ta vykazují změnu
charakteru závislosti hodnoty povrchového napětí
přechlazené vody při teplotě 267 K, která by odpovídala
fyzikální interpretaci změny vnitřní struktury vody popsané
Hrubým [4]. Nicméně novější měření povrchového napětí
vody Floriana a Angella [4], díky svému velkému rozptylu,
charakter původního měření nepotvrzují. Proto cílem této
práce je navrhnout experimentální zařízení pro měření
povrchového napětí podchlazené vody s dostatečnou
přesností pro potvrzení nebo vyvrácení existence změny
v charakteru teplotní závislosti povrchového napětí
přechlazené vody při teplotě 267 K.
II.
METODIKA MĚŘENÍ POVRCHOVÉHO NAPĚTÍ
Měření povrchového napětí kapalin je velmi důležité pro
Jan Hošek *,
* ČVUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav přístrojové a řídící techniky,
odbor Přesné mechaniky a optiky, Technická 4, Praha 6,
[email protected]
* Ústav termomechaniky AV ČR, Dolejškova 6, Praha 8,
[email protected].
Projekt byl podpořen projektem IAA200760905.
Obr. 1 Schéma měření povrchového napětí v kapiláře dle Fergusona.
Malé množství kapaliny je umístěno do tenké kapiláry a
na okrajích kapaliny se vytvoří menisky, kde na každém
menisku vzniká tlakový rozdíl:
1 1
∆p = γ  +  ,
 r1 r2 
(1)
kde γ je hodnota povrchového napětí a r1 a r2 jsou hlavní
poloměry křivosti menisku v kapiláře. Za předpokladu, že
jeden meniskus se bude dotýkat konce kapiláry, až přejde
v rovinnou plochu, bude tlakový rozdíl dán pouze jedním
meniskem. Pro kapiláru kruhového průřezu platí r1 = r2 = r se
vztah pro výpočet povrchového napětí zjednoduší na:
r
2
γ = ∆p .
(2)
Nezbytnou podmínkou pro přesné stanovení hodnoty
povrchového napětí je dosažení přesnosti určení tlakového
rozdílu pod 1 Pa a zároveň křivost vrchlíku menisku větší
než 180 mm pro kapiláru o průměru 0,3 mm.
B.
Konstrukce zařízení pro měření povrchového napětí
V průběhu řešení problému bylo otestováno několik
možných řešení měření poloměru křivosti menisku. Jako
nejlepší se ukázala metoda kombinující konfokální
uspořádání osvětlovacího laserového svazku s obrazovým
ohniskem od menisku odraženého svazku dopadající na
detektor. V této konfiguraci, zobrazené na obrázku 2 se
volný meniskus kapaliny chová jako deformovatelné zrcadlo,
které odrazí do konfokálního ohniska všechny zdrojové
paprsky, pokud je meniskus právě rovinný.
Navíc záznam z jednotlivých snímků kamery lze po
vyhodnocení použít i k určení vyosení optických svazků a
korigovat tak správné nastavení celého měřicího zařízení.
Ukázka změn intenzit záření v konfokální rovině v závislosti
na tvaru menisku je zobrazena na obrázku 4:
Obr. 4 Ukázky ozáření konfokální clony v závislosti na tvaru menisku.
Obr. 2 Konfokální uspořádání měření rovinnosti menisku při měření
povrchového napětí dle Fergusona.
Uvedené optické schéma bylo realizováno objektivem s
ohniskovou vzdáleností f´= 30,53 mm ve 4F uspořádání,
zobrazující laserem ozářenou clonu na čelo kapiláry a zpětně
zobrazující čelo kapiláry na detektorovou konfokální clonu.
Volba uvedeného objektivu dává zařízení dostatečnou
volnou pracovní vzdálenost od kapiláry pro realizaci jejích
teplotních změn.
C.
Volba konfokálního detektoru
Původním záměrem bylo jako detektor použít za
konfokální clonou integrální fotodetektor, typu fotodiody se
zesilovačem, pro dosažení vysokých vzorkovacích frekvencí
a velkého časového rozlišení. Nicméně testy několika typů
fotodiod ukázaly, že pro dosažení vyhodnotitelné úrovně
signálu je třeba použít značného zesílení doprovázeného
silným šumem pozadí, což při použití dostupných A/D
převodníků dává malou citlivost měření změny intenzity
procházejícího svazku ve vztahu ke změně tlaku. Jako
nejlepší se ukázalo použití CCD kamery a zpracování
záznamu integrací jednotlivých pixelů. Tento detektor
podává dostatečnou citlivost, při vzorkovacích frekvencích
do 30 Hz, což je pro měření dostatečná frekvence. Srovnání
záznamu fotodiody a CMOS kamery je na obrázku 3:
D.
Konstrukce celého zařízení
Konstrukce celého zařízení vychází ze záměru měřit
povrchové napětí podchlazených kapalin, zejména vody.
Proto kapilára musí být umístěna ve specielní komoře, kde je
možné ji střídavě ochlazovat na teploty do -24°C a ohřívat
nad 0°C s periodou cca 5 s, aby se předešlo zamrznutí
kapaliny a poškození kapiláry. Tato část zařízení byla
vyvinuta v Ústavu termomechaniky AV ČR. Detektor
menisku je pak samostatnou součástí tohoto celého měřicího
systému, jehož uchycení je zobrazeno na obrázku 5.
Obr. 5 Řešení celé mechanické části konstrukce temperačního systému
kapiláry a optického detektoru tvaru menisku.
III. ZÁVĚR
Článek představil konstrukci optického detektoru tvaru
menisku kapiláry pro měření povrchového napětí velmi
malého množství tekutiny Fergusonovou metodou. Zařízení
je v současné době zkompletováno, jeho funkčnost je
otestována za pokojové teploty a v druhé polovině tohoto
roku bude použito k proměření hodnot povrchového napětí
vody v podchlazeném stavu.
IV. REFERENCES
[1]
[2]
[3]
[4]
Obr. 3 Záznam odrazu menisku fotodiodou PDA36A-EC při zesílení 60
a 70 dB - nahoře a CMOS kamerou DCC1645C - dole.
[5]
A. Ferguson, “On the measurement of the surface tension of a small
quantity of liquid,” Proc. Phys. Soc. 36, 37-43, 1924.
IAPWS Release on Surface Tension of Ordinary Water Substance
(1994), URL http://www.iapws.org/relguide/surf.pdf.
P. T. Hacker, Technical Note 2510, National Advisory Committee for
Aeronautics, 1951. http://naca.larc.nasa.gov/reports/1951/naca-tn2510/naca-tn-2%510.pdf.
M. A. Floriano, C. A. Angell, “Surface Tension and Molar Surface
Free Energy and Entropy of Water to -27.2°“, J. Phys. Chem. 94,
4199, (1990).
Hartland, S., Surface and Interfacial Tension : Measurement, Theory,
and Applications, Marcel Dekker, (New York) 2004.