DE2910201A1

DE2910201A1 - Verfahren zur automatischen messung der oberflaechenspannung und des benetzungswinkels fluessiger stoffe

Info

Publication number: DE2910201A1
Application number: DE19792910201
Authority: DE
Inventors: Georg Dr Ing Geiser
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Bister Gerd Dipl-Ing 7230 Schramberg De
Priority date: 1979-03-15
Filing date: 1979-03-15
Publication date: 1980-09-18

Description

Verfahren zur automatischen Messung der Oberflächenspannung
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.
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.
Die Mennung der DbP! lchenspannung und des Benetzungswinkels wird in Labors und Produktionsprozessen häufig durchgeführt.
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.
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.
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.
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.
Neben dieser Auflichtbeleuchtung ist auch eine gerichtete Durchlichtbeleuchtung geeignet.
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.
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.
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Claims

Ansprüche Verfahren zur automatischen Messung der Oberflächenspannung und des Benetzungswinkels einer Flüssigkeit durch optische Beobachtung eines hängenden oder liegenden Tropfens bzw.

einer Blase der Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß der zu vermessende Tropfen bzw. die Blase mit parallelem Licht beleuchtet wird, daß das durch den Tropfen bzw. die Blase gehende Licht nicht in die optische Beobachtungseinrichtung gelangt und daß das vorbeigehende Licht in die Beobachtuig9InrIr:htutlg eintritt, weiterhin gekennzeichnet dadurch, daß das erltstehende kontrastreiche, scharf begrenzte Bild des Tropfens bzw. der Blase durch einen optischen Wandler aufgenommen, dnn Ausgangssignal des Wandlers in einer Schwellwert schaltung binarisiert und die geometrischen KenngröBen des Tropfens bzw. der Blase durch elektronische Zähl- und Rechenschaltungen in an sich hekannter Weise aus dem hinarisierten Signal berechnet werden.
2. Verfahren zur automatischen Messung der Oberflächenspannung und des Benetzungswinkels einer Flüssigkeit durch optische Beobachtung eines hängenden oder liegenden Tropfens bzw.

einer Blase der Flüssigkeit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Beleuchtung des Tropfens bzw. der Blase eine Auflichtbeleuchtung und ein verspiegelter Hintergrund verwendet werden.
3. Verfahren zur automatischen Messung der Oberflächenspannung und des Benetzungswinkels einer Flüssigkeit durch optische Beobachtung eines hängenden oder liegenden Tropfens bzw.

einer Blase der Flüssigkeit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Beleuchtung des Tropfens bzw. der Blase eine Durchlithtbeleuchtung verwendet wird.
4. Verfahren zur automatischen Messung der Oberflächenspannung und des Benetzungswinkels einer Flüssigkeit durch optische Beobachtung eines hängenden oder liegenden Tropfens bzw.

einer Blase der Flüssigkeit nach Ansprüchen 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die SchwelLe zur Binarisierung der vom optisch-elektronischen Wandler abgegebenen Signale adapti an die jeweiligen Werte dieser Signale angepaßt wird.
5. Verfahren zur automatischen Messung der Oberflächenspannung und des Benetzungswinkels einer Flüssigkeit durch optische Beobachtung eines hangenden oder liegenden Tropfens bzw.

einer Blase der Flüssigkeit nach Ansprüchen 1, 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch an sich bekannte elektronische ZHhl- und Rechenschaltungen aus dem binariaierten Signal des optisch-elektronischen Wandlers die geometrischen Kenngrößen des Tropfens bzw. der Blase ermittelt werden und daß mittels mathematischer Beziengen oder gespeicherten Tabellen diE Oberflochespunung ermittelt wird.
6. Verfahren zur automatischen Messung der Oberflächenspannung und des Benetzungswinkels einer Flüssigkeit durch optische Beobachtung eines hängenden oder liegenden Tropfens bzw.

einer Blase der Flüssigkeit nach Ansprüchen 1, 2, 3, 4 und 5, d a d u r c h g e k e nwn z e i c h n e t daß die Hysterese des Benetzungswinkels des Tropfens durch Messung der Benetzungswinkel der sich ausbreitenden und sich zurückziehenden Flüssigkeit und anschließende Differenzbildung ermittelt wird.