[发明专利]测量液体表面张力的方法和装置

说明书

本发明涉及按照气泡压力原理测量液体表面张力的方法和装置，其中在确定的气体质量流量或容积流量下测量浸入液体的毛细管尖端上的气泡参数并由此算出表面张力。

表面张力σ给出为了在液体-气体界面上使表面增大一定的量必须做多少功。因而，例如，它给出液体中表面活性剂的浓度和有效性，例如用于洗涤过程和清洗过程中的墨水或者浸泡剂的质量控制。

采用气泡压力原理时，通过一个与气动系统连接的毛细管把气体或者气体混合物，通常为空气，压入待分析的液体中，并测量在该毛细管上形成的气泡的内部压力p。

采用最大气泡压力的方法时，测量最大气泡压力p_max。从测量或调节费用高昂的该毛细管的浸入深度h_E和液体密度算出作用在气泡上的流体静压p_h。然后按下式用毛细管半径r_Kap第一近似地计算表面张力σ：

σ＝r_Kap/2(p_max-p_h)           (1)

采用由此推导出来的毛细管压力差方法(DE 197 55 291 C1，DE 20318 463 U1)，利用表面张力σ和气泡的最大内部压力p_max和最小内部压力p_min之间的压力差Δp之间的相关关系K算出动态表面张力σ：

σ＝K·Δp  mit  Δp＝p_max-p_min           (2)

与最大气泡压力的方法相反，鉴于流体静压对p_min和p_max的作用相同，该测量与毛细管浸入深度无关。

在含表面活性剂的液体中，表面张力σ的测量值与膨胀表面的寿命有关，因为随着气泡寿命的延长可能有越多的表面活性剂沉淀在新形成的气泡表面上。据此气泡压力原理测量动态表面张力，因此测量值总是必须和与此有关的气泡形成时间或气泡寿命t_life一起给出，其此外应该理解为气泡的最小压力和最大压力之间的时间。

已知的气泡压力方法在一个确定的气泡频率或者出现的气泡的气泡寿命下，测量最大气泡压力或者毛细管上的压力差，而气泡寿命必须随着动态改变的表面张力不断地重新调整(DE 197 55 291 C1)。为此需要一个可控的空气泵或一个控制气流的阀门。

为了能够足够准确地测量表面张力，与其他应用相比，所使用的压力传感器必须具有高的测量精度。

满足这个要求的压力传感器，例如，必须进行温度补偿和标定，因而是测量系统成本最高的元件。

作为气泡压力转换变为电信号的替代物，有声压转换器，诸如电容式、动圈式、晶体式和碳式微音器以及压电片(EP 0 760 472 B1，DE 19636 644 C1)。这样，按照EP 0 760 472 B1采用成本低廉声压转换器，测量压力信号对时间的一阶导数，并通过随后对气泡压力积分，并由此求出表面张力。受环境温度、空气湿度、微音器传输特性中的频率关系以及测量时出现的漂移影响造成的测量偏差是不可避免的。不采取附加措施，声压转换器无法满足压力测量的精度要求。

从DE 43 03 133 A1已知，在气流量足够恒定时，在毛细管上形成的气泡的实测气泡频率与表面张力有关。随着表面张力下降，气泡频率上升。气泡频率的倒数，气泡周期时间由气泡寿命和所谓气泡死时间组成(DE 203 18 463 U1)。经过最大压力之后气泡绽开和鼓起，气泡死时间表示最大压力和气泡扯开之间的时间。在液体中很小的流动或者机械振动就已经随即地影响气泡扯开并以此在通过气泡频率测量表面张力时产生大的测量偏差。所得到的测量精度，例如对于在纺织洗涤的范围内洗涤剂浓度的测量是不足够的。

直至目前为止在纺织和餐具清洗的范围内，特别是在家务范围内，尚没有经济的和有市场竞争力的解决方案，其能够足够准确地测量洗涤剂或漂洗剂浓度测量的表面张力和以此为依据的对其进行自动计量。

本发明的任务在于，给出一种从气泡寿命和表面张力的关系出发，在一个确定的气体质量流量或气体容积流量下，动态测量液体表面张力用的方法和装置，以比较地小的传感器费用提供对大多数应用足够准确的测量结果。

按照本发明通过权利要求1和11给出的特征解决该任务。对此有利的扩展在从属权项中给出。

按照本发明的方法基于在系统容积中引入的确定的气体质量流量或气体容积流量下气泡寿命t_life与表面张力σ的关系。