UA81770C2 - Спосіб визначення крайового кута змочування поверхні і пристрій для його здійснення - Google Patents

Description

Опис винаходу

Винахід відноситься до вимірювальної техніки і може бути використаний для контролю стану поверхні 2 твердих і рідких тіл. Винахід в першу чергу призначений для контролю поверхонь, розмір яких досягає одного метра і більше.

Крайовий кут змочування залежить від співвідношення між поверхневим натягом рідини, що змочує, і поверхневою енергією змочуваного тіла. Оцінка характеристик поверхні через визначення крайового кута знайшла широке використання в промисловості, медицині, наукових дослідженнях та інших галузях. Зокрема, 710 визначення крайового кута використовується для оцінки адгезійних властивостей поверхні.

Способи визначення крайового кута базуються на вимірюванні характеристик форми поверхні рідини поблизу межі розділу фаз. Можна виділити два підходи до вирішення цієї задачі. Перший підхід представляють способи, в яких вимірюють параметри, що визначають форму всієї поверхні рідини або достатньо великої її ділянки, а потім розраховують крайовий кут шляхом вирішення математичного рівняння, або використовуючи спеціальні 12 таблиці (1-3).

Прикладом такого підходу є метод лежачої (висячої) краплі, в якому вимірюють висоту і радіус краплі. Щоб виміряти вказані параметри, отримують і обробляють зображення силуету краплі |2). Точність визначення крайового кута істотно залежить від роздільної здатності, з якою отримують зображення. Суттєвим недоліком цього підходу є обмеження розмірів контрольованої поверхні величинами порядка 107 м.

Другий підхід представляють способи (4-5), в яких вимірюють кут відхилення плоского пучка випромінювання при взаємодії з ділянкою поверхні рідини, що прилягає до межі розділу фаз, а потім розраховують крайовий кут, використовуючи закони відбиття або заломлення. Щоб виміряти кут відхилення, визначають положення тіні, що утворюється завдяки фазовому злому на межі розділу фаз. Точність вимірювань пов'язана з різкістю тіні, яка, в свою Чергу, зумовлена дифракційним і геометричним зміненням фронту відбитого випромінювання. с 29 Такий підхід дозволяє контролювати поверхні будь яких розмірів. Однак, при низькій і середній Ге) змочуваності, коли кривизна поверхні рідини біля межі розділу фаз є значною, тінь при віддаленні від поверхні швидко втрачає чіткість, що значно ускладнює досягнення високої точності.

Найбільш близьким за технічною суттю до винаходу є спосіб |б), який поєднує риси обох згаданих підходів.

В цьому способі використовують плоский пучок лазерного випромінювання, діаметр якого перевищує діаметр о 3о краплі. Пучок направляють під прямим кутом на контрольовану поверхню таким чином, щоб крапля рідини ча цілком знаходилася в середині освітленої ділянки поверхні. Внаслідок відхилення частини випромінювання на поверхні рідини в пучку, що проходить крізь поверхню, або відбивається від неї, утворюється зона тіні. їв.

Границя зони тіні має форму кола. Діаметр цього кола а, і вимірюють в деякій площині, що знаходиться на ч- відстані й від контрольованої твердої поверхні. Також вимірюють діаметр змоченої краплею ділянки 4а,. Після цього крайовий кут 9 розраховують, використовуючи співвідношення, які виводяться з законів відбиття і со заломлення світла. Наприклад, якщо діаметр границі зони тіні й х був виміряний в пучку, що відбився від поверхні рідини, для розрахунку крайовий кута 9 використовують співвідношення зла - ст «

ГІ

70 Якщо діаметр 4, був виміряний в пучку, що пройшов крізь поверхню рідини, то використовують о, с співвідношення " ' Сл бе ять вт в, со де п - показник заломлення рідини. - Пристрій для здійснення цього способу включає джерело лазерного випромінювання, оптичну систему, яка розширює пучок випромінювання і спрямовує його на контрольовану поверхню, засіб для реєстрації розподілу - інтенсивності випромінювання, що пройшло, або того, що відбилося, і засіб для вимірювання діаметру границі -І 20 зони тіні.

Прототип дозволяє контролювати поверхні будь яких розмірів. Однак, для досягнення високої точності ще повинні бути виконані деякі вимоги. Перша вимога полягає в тому, щоб крапля мала форму тіла обертання.

Друга важлива вимога витікає з тієї обставини, що величини а, дк, й і різниця 4-4; повинні бути відомими з високою точністю. Для досягнення такої точності крапля рідини повинна бути достатньо великою. Разом з тим, форма великих крапель дуже чутлива до мікро- і макронерівностей твердої поверхні. Внаслідок цього перша о вимога може бути виконана лише на дуже гладких і плоских поверхнях. Таким чином, ефективне застосування прототипу можливе лише на тих поверхнях, які мають високі показники щодо площинності та шорсткості. ле Метою винаходу є створення способу і пристрою, які б забезпечували можливість контролю поверхонь великих розмірів, а також не ставили високих вимог щодо їх якості. 60 Мета досягається за рахунок того, що об'єм краплі точно дозують, а саму його величину Мпідбирають такою, щоб задовольнялося співвідношення. з (0 де с - поверхневий натяг рідини, Р - щільність рідини, 9 - прискорення вільного падіння. Якщо співвідношення (1) задовольняється добре, форма краплі стає близькою до шарового сегменту. В такому разі крайовий кут 9 може бути знайдений шляхом вирішення рівняння зо(ан) ву 2 2 хх Чф

Щоб виміряти діаметр змоченої ділянки твердої поверхні 4, реєструють розподіл інтенсивності тільки тієї частини пучка, яка була відбита незмоченою ділянкою поверхні, або пройшла крізь неї.

Пристрій, що здійснює цей спосіб, окрім елементів, які має в своєму складі прототип, включає також крапельницю-дозатор і, можливо, оптичну систему. Крапельниця-дозатор призначена для нанесення на контрольовану поверхню крапель точно заданого об'єму. Виготовлювані промисловістю крапельниці в діапазоні, 75. що цікавить (1071...107 мікролітрів), дозволяють дозувати об'єм рідини з похибкою «195.

Оптична телескопічна система призначена для перетворення пучка випромінювання, який пройшов крізь контрольовану поверхню, або відбився від неї. За рахунок такого перетворення може бути підвищена роздільна здатність при реєстрації зони тіні і, як наслідок, точність визначення крайового кута змочування.

Суть винаходу пояснюється малюнками, де показані: на Фігта - схематичне зображення способу і пристрою для його здійснення при використанні випромінювання, що пройшло крізь тверду поверхню, на Фіг1б - схематичне зображення способу і пристрою для його здійснення при використанні випромінювання, що відбилося від твердої поверхні. на Фіг.2а - фрагмент зареєстрованого розподілу інтенсивності пучка, який пройшов крізь поверхню, при Ге змочуванні полірованого скла водою. о на Фіг.2б6 - фрагмент зареєстрованого розподілу інтенсивності пучка, який пройшов крізь поверхню, при змочуванні полімерної плівки формамідом. на Фіг.З - залежність інтенсивності від координати в розподілах інтенсивності, показаних на Фіг.2а (крива 1) ї Фіг.26 (крива 2). о

Заявлений спосіб реалізують таким чином:

На поверхню наносять краплю рідини 1 (Фіг.Та, Фіг.1б). Об'єм краплі М є точно визначений, і відповідає т співвідношенню (1). Розширений пучок лазерного випромінювання 2 спрямовують приблизно перпендикулярно че до твердої поверхні З таким чином, щоб крапля рідини 1 знаходилася приблизно в середині освітленої ділянки твердої поверхні 3. Вторинний пучок 4, що утворюється при відбитті від твердої поверхні З або проходженні -

Крізь неї, може бути перетворений за допомогою оптичної системи 5. Перетворення здійснюють таким чином, о щоб розмір зони тіні б (Фіг.2а і Фіг.2б) в розподілі інтенсивності 7 на виході системи 5 (Фіг.1а, Фіг.1б) міг бути зіставлений з розміром чутливої поверхні фотоприймача 8. Розподіл інтенсивності 7 (Фіг.2а і Фіг.2б) реєструють і обробляють математичними засобами.

В ході обробки перш за все знаходять точки, які належать до границі зони тіні б. Потім будують « окружність, яка має мінімальне середньоквадратичне відхилення від знайдених точок. Далі визначають діаметр шщ с цієї окружності а, і розраховують крайовий кут змочування шляхом вирішення рівняння (2). а Пристрій для здійснення цього способу включає крапельницю-дозатор 9 (Фіг.1а), джерело випромінювання "» (лазер) 10, оптичну систему 11, оптичну систему 5 (в разі необхідності), позиційно--утливий фотоприймач 8, процесор (комп'ютер) 12.

Пристрій функціонує таким чином. (се) Крапельниця-дозатор 9 (Фіг.1а) наносить краплю заданого об'єму рідини 1 на тверду поверхню 3, що підлягає - контролю. Оптична система 11 розширює пучок випромінювання 2, який виходить з джерела 10, і спрямовує його на тверду поверхню З під кутом, близьким до прямого. Освітлена ділянка твердої поверхні З повинна повністю -І охоплювати ділянку, змочену рідиною. Оптична система 5 застосовується лише тоді, коли розмір краплини є суттєво меншим, ніж розмір чутливої поверхні фотоприймача 8. Ця система перетворює пучок випромінювання - 4, що пройшло крізь тверду поверхню або відбилося від неї таким чином, щоб розмір зони тіні 6 (Фіг.2а і с Фіг.2б) був близький до розміру чутливої поверхні. Позиційно-ч-утливий фотоприймач 8 реєструє розподіл інтенсивності. Він повинен бути розташований таким чином, щоб випромінювання, яке взаємодіяло з поверхнею краплі рідини 1 не засвічувало граничні точки зони тіні. Процесор (комп'ютер) 12 обробляє зареєстрований розподіл, визначає діаметр границі зони тіні 6 і розраховує крайовий кут змочування.

Наведені на Фіг.2а і Фіг2б фрагменти розподілів інтенсивності були зареєстровані для краплин об'ємом іФ) М-1мкл. Фотоприймачем 8 була ПЗЗ матриця (640 х480 пікселів, діагональ - 1/3 дюйма). Отримані в

Ккз результаті обробки залежності інтенсивності від координати для цих розподілів показані на Фіг.3 кривими 13 і 14. Як видно, величина діаметра а, становить відповідно 2,2мм і 2,9мм. Рішення рівняння (2) при таких 60 значеннях дає величину крайового кута 50,52 і 24,52 відповідно. Похибка цих величин може бути підрахована, якщо взяти до уваги, що неточність об'єму становить біля 195, а діаметру - біля 595. Підрахунок показує, що похибка для величин крайового кута має становити 1-2 кутових градуси. Світла пляма в середині зони тіні, яку видно на Фіг.2б6 має суттєво нечіткі границі, зумовлені тим, що форма рідкої поверхні помітно відрізняється від тіла обертання. Це показує, що наведений метод має значно меншу чутливість до якості поверхні, ніж бо прототип.

Джерела інформації:

1. А. Адамсон. Физическая химия поверхностей. М.: Мир, 1979, с.275. 2. С .Аїае-АОай еї аЇ.. Меазигетепі ої зипасе (епвіоп апа сопіасі апдіе ивіпуд епігоріс едде аеїесііоп.

Меазигетепі 5сіепсе апа Тесппоіоду, м.12, Мо3,2001, р.288-298.

З. М.Війвйіеуп, 9У.Напвзеп, К.К.Зпаму. Меїфйоа апа аррагайе їог дейегтіпіпуд (Ше сопіасі апдіє ої Ідшцід дгоріеїв5 оп сигмей зибзігайе зипасевз. Патент США Мо5137352. 4. Н.Бсппеїдег, Н.КіпсК. Меїйой ої теазигіпд (Ше сопіасі апдіе о ї уеціпуд Іїдцій оп а воїїй зипасе.

Патент США Мо5080484. 5. Р.Магііп, б. Ге Воцдес. Меїйодз ап демісевз їог дебегтіпіпд (Ше сопіасі апдіе ої а агор ої Іїдцід 7/о ріасей р/іп а зирвігаїє. Патент США Мо5115677. 6. С.А.Юетоціїп, ЮО.А!йззеїте, Е.КопаеєЇе72. Меїйой апа аррагайв5 ог дебегтіпіпд (пе сопіасі апдіе ої а агор ої Ідціа ріасей оп а воїїа ог Ідцїа Ногіг2опіа! зибзігаЇе. Патент США Мо4688938.

Claims (2)

Формула винаходу

1. Спосіб визначення крайового кута змочування поверхні, в якому наносять на поверхню рідину у вигляді краплі, спрямовують плоский пучок випромінювання на поверхню таким чином, щоб вся крапля і прилеглі незмочені ділянки поверхні були освітлені, на певній відстані від поверхні реєструють просторовий розподіл інтенсивності пучка, який утворюється при відбитті від освітленої ділянки поверхні або проходженні крізь неї, в зареєстрованому розподілі інтенсивності знаходять граничні лінії зон тіні, вимірюють їх діаметри і розраховують крайовий кут змочування, який відрізняється тим, що об'єм краплі, яку наносять, дозують таким чином, щоб його величина відповідала співвідношенню: рив Г: ШИ с - Фе -- де Й - об'єм краплі, « - поверхневий натяг рідини, В - щільність рідини, о зо Е - прискорення вільного падіння, а крайовий кут змочування є розраховують із рівняння: Ше що їй 9 з а и т шк ке КАТ «- 2072 я Ф - У со де й - крайовий кут змочування, ф - діаметр граничної лінії зони тіні, утвореної випромінюванням, яке взаємодіяло з незмоченою ділянкою поверхні.

2. Пристрій для визначення крайового кута змочування поверхні, що містить джерело плоского пучка « випромінювання, оптичну систему, яка розширює пучок і спрямовує його на контрольовану поверхню, засіб для - с реєстрації розподілу інтенсивності випромінювання, що пройшло або відбилося, процесор для аналізу розподілу й інтенсивності випромінювання і розрахунку крайового кута, який відрізняється тим, що має в своєму складі "» крапельницю-дозатор об'єму рідини, яка утворює краплю. со - - - с2 Ф) ко 60 б5