Тензиометр

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт тепло- и массообмена имени А.В.Лыкова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Филатов Сергей Александрович Кучинский Георгий Станиславович Кумейша Павел Николаевич Шамашова Татьяна Сергеевна(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт теплои массообмена имени А.В.Лыкова Национальной академии наук Беларуси(57) Тензиометр, содержащий теплоизолированную камеру с размещенными в ней предметным столиком, измерителем температуры, системой терморегуляции и системой освещения образца, а также объектив, отличающийся тем, что теплоизолированная камера дополнительно снабжена цифровой системой регистрации изображения образца, устройством фокусировки изображения образца, включающим объектив, при этом предметный столик с расположенным над ним устройством автоматического нанесения капли оборудован системой поворота и наклона на произвольный угол и установлен между системой освещения образца и объективом, причем система терморегуляции выполнена в виде элементов Пельтье, а тензиометр снабжен микропроцессорным устройством, соединенным с измерителем температуры, выполненным в виде бесконтактного оптического датчика, и цифровой системой регистрации изображения образца.(56) 1. Патент РФ 18775, МПК 01 33/36, 2001. Полезная модель относится к измерительной технике, в частности к приборам для измерения поверхностного натяжения жидкостей, и может быть использована в молекулярной физике, теплофизике, физической химии, в промышленности при производстве стекла и полимеров и текстильной промышленности. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению (прототипом) является устройство для определения смачиваемости текстильных материалов 1. Устройство для определения смачиваемости текстильных материалов также можно отнести к тензиометрам, потому что в основе принципа работы устройства лежит измерение краевого угла смачиваемости, то есть формы капли, лежащей на поверхности, которая и определяет величину поверхностного натяжения жидкости. Указанное устройство содержит термокамеру (теплоизолированную камеру) с размещенным в ней предметным столиком и трансформатором понижающего напряжения. Над предметным столиком расположена система освещения теплоизолированной камеры (образца), а под предметным столиком установлены нагреватель с терморегулятором (система терморегуляции),измеритель температуры и средства для увеличения размера образца (объектив) и измерения угла смачивания. Объектив установлен в направляющих с возможностью перемещения в трехмерном пространстве, а на поверхности предметного столика зафиксирована термопара. Устройство для определения смачиваемости текстильных материалов работает следующим образом. На поверхность предметного столика помещается образец, на который наносят, например, каплю клея. В момент включения устройства в сеть электрический ток поступает на обмотку трансформатора, где напряжение падает до 90 В, далее на регулятор напряжения. Одновременно с трансформатора в камеру попадает ток напряжением 6,3 В для системы освещения. С регулятора напряжения электрический ток заданной величины поступает в теплоизолированную камеру для нагрева спирали нагреваемого предметного столика, величина температуры которого фиксируется измерителем температуры. Температура может изменяться от 0 до 240 С с помощью регулирования напряжения, подаваемого на нагрев предметного столика. Поверхность предметного столика нагревается,передавая тепло образцу, одновременно происходит нагрев капли клея - расплава. Величина краевого угла смачивания измеряется визуально и фиксируется объективом. С помощью винтов и рукояток объектив и нагреваемый предметный столик устанавливают напротив друг друга. С помощью ручки угломера с закрепленной на ней стрелкой транспортира определяют угол между материалом и касательной, проведенной к капле в точке взаимодействия линии материала и дуги капли, - краевой угол смачивания. С помощью устройства для определения смачиваемости текстильных материалов мы можем исследовать однородные образцы как частный случай неоднородных образцов. Недостатком известного устройства является низкая эффективность измерений из-за визуального определения угла смачивания, низкой контрастности изображения, зависящей от выбранной схемы освещения, а также невозможность измерения характеристик неоднородных образцов. Задачей предлагаемого технического решения является повышение эффективности измерений, а также расширение функциональных возможностей. Задача решается следующим образом. Известный тензиометр содержит теплоизолированную камеру с размещенными в ней предметным столиком, измерителем температуры, системой терморегуляции и системой освещения образца, а также объектив. Согласно предлагаемому техническому решению теплоизолированная камера дополнительно снабжена цифровой системой регистрации 2 66672010.10.30 изображения образца, устройством фокусировки изображения образца, включающим объектив, при этом предметный столик с расположенным над ним устройством автоматического нанесения капли оборудован системой поворота и наклона на произвольный угол и установлен между системой освещения образца и объективом, причем система терморегуляции выполнена в виде элементов Пельтье, а тензиометр снабжен микропроцессорным устройством, соединенным с измерителем температуры, выполненным в виде бесконтактного оптического датчика, и цифровой системой регистрации изображения образца. Предлагаемое устройство тензиометра позволяет повысить достоверность и воспроизводимость измерения величины краевого угла смачивания, поверхностного натяжения жидкости и позволяет определять параметры исследуемого образца и параметры исследуемой жидкости при использовании эталонного образца с известными свойствами поверхности. На фигуре показана схема общего вида предлагаемого устройства. Устройство содержит теплоизолированную камеру 1 с размещенными в ней предметным столиком 2, оборудованным системой 3 поворота и наклона на произвольный угол и установленным между системой 4 освещения образца, выполненной в виде равномерно освещенного экрана, и объективом 5. Под предметным столиком 2 установлена система 7 терморегуляции, выполненная в виде элементов Пельтье и предназначенная для регулирования температуры и обеспечения равенства температур поверхности, капли и окружающей их атмосферы в теплоизолированной камере 1. Над предметным столиком 2 расположено устройство 6 автоматического нанесения капли. Теплоизолированная камера 1 дополнительно снабжена устройством 9 фокусировки изображения образца, включающим объектив 5, и установленной за ним цифровой системой 8 регистрации изображения образца. Тензиометр снабжен микропроцессорным устройством 10 определения параметров образца по стандартному методу, соединенным с измерителем 11 температуры, выполненным в виде бесконтактного оптического датчика, и цифровой системой 8 регистрации изображения образца. Предлагаемое устройство работает следующим образом. Перед началом измерений в теплоизолированной камере 1 устанавливают заданную температуру с помощью системы 7 терморегуляции, выполненной с использованием элементов Пельтье и предназначенной для регулирования температуры и обеспечения равенства температур поверхности, капли и окружающей их атмосферы в теплоизолированной камере 1, измеренную измерителем 11 температуры, выполненным в виде бесконтактного оптического датчика, при включенной системе 4 освещения. На поверхность предметного столика 2 помещается образец, на который наносят с помощью устройства 6 автоматического нанесения капли, например микропипетки, каплю жидкости с известными свойствами, температура которой равна температуре поверхности. После чего осуществляют фокусировку изображения капли жидкости с помощью устройства 9 фокусировки изображения образца, включающего объектив 5, и осуществляют регистрацию изображения капли с помощью цифровой системы 8 регистрации изображения образца. Затем с помощью микропроцессорного устройства 10, соединенного с измерителем 11 температуры и цифровой системой 8 регистрации изображения и предназначенного для определения параметров образца по стандартному методу, определяют величины краевого угла смачивания и рассчитывают параметры исследуемой поверхности, например свободную энергию поверхности с использованием стандартных методик Зисмана, Фоукса, , Шульца,Осса, Гуда и методики Оуэна, Вендта, Рабеля, Кельбеля. При исследовании свойств анизотропной поверхности дополнительно осуществляют регистрацию краевого угла смачивания при различных регистрируемых углах поворота предметного столика 2 с помощью системы 3 поворота и наклона предметного столика 2 на произвольный угол. При необходимости исследования динамики изменения величины краевого угла смачивания ведут регистрацию изменений краевого угла смачивания при постоянной температуре образца,3 66672010.10.30 определенной измерителем 11 температуры в различные моменты времени после нанесения капли жидкости. В системе 4 освещения образца используют, например, монохроматический источник излучения для улучшения геометрии излучения за счет уменьшения хроматических обераций. Кроме монохроматического источника излучения можно использовать конденсор, формирующий параллельный пучок света в направлении объектива 5 цифровой системы 8 регистрации изображения образца, для улучшения контрастности изображения. Таким образом, предлагаемое устройство позволяет повысить эффективность измерений с помощью цифровой техники и увеличить точность наблюдений за счет подвижного предметного столика и освещения. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4