Hochdurchsatzanalyse von Flüssigkeitstropfeneinschlägen

Dieses Protokoll ermöglicht die effiziente Untersuchung von Flüssigkeitstropfeneinschlägen auf festen Oberflächen, ein alltägliches Phänomen, das in der Industrie wirklich wichtig ist. Die Ergebnisse können wirklich komplex sein und hängen von vielen verschiedenen experimentellen Parametern ab. Da die Datenerfassung und -analyse koordiniert wird, können viele Experimente über einen kurzen Zeitraum durchgeführt und die Qualität der Daten zeitnah bewertet werden.

Diese Methode ist nützlich, um grundlegende Parameter für die Fallauswirkung zu untersuchen. Flüssigkeiten, Tropfengröße, Fallschlaggeschwindigkeit, substrates Material und unter allen Umgebungsbedingungen. Diese Methode ist wirklich effizient, aber es gibt eine Reihe wichtiger Schritte, die erforderlich sind, um sie richtig einzurichten.

Das Nachgeben einer Demonstration ist der beste Weg, um Fehler zu vermeiden. Um die Hochgeschwindigkeitskamera einzurichten, platzieren Sie eine Ausrichtungsmarkierung auf der mittleren Position der Beispielstufe, mit Blick auf die Kamera, und passen Sie die Vergrößerung der Kamera so an, dass die quadratische Markierung in das Sichtfeld passt. Wenn der Marker im Fokus ist, erfassen Sie ein Bild.

Laden Sie die grafische Benutzeroberfläche für die Tröpfchenauswirkungsanalysesoftware in MATLAB, klicken Sie auf Kamera kalibrieren, und wählen Sie das aufgenommene Bild aus, um den Bildanalysecode auszuführen. Geben Sie die Größe des Kalibrierquadrats in Millimetern ein, und klicken Sie auf OK. Verschieben Sie das Rechteck, bis das Kalibrierungsquadrat das einzige Objekt innerhalb des Rechtecks ist, und klicken Sie auf "OKAY". Die Software berechnet automatisch den Umrechnungsfaktor.

Um das experimentelle System auszurichten, positionieren Sie die Nadelhalterung auf Augenhöhe, um die Beladung zu erleichtern, und überprüfen Sie, ob die Schläuche nicht verdreht sind. Mit einer Spritze mit einer sicheren, sauberen Nadel, reinigen Sie manuell die Schläuche von Restflüssigkeit, während Sie den Schlauch und die Nadel in einer vertikalen Position halten. Und füllen Sie die Spritze mit der Flüssigkeit von Interesse.

Befestigen Sie die Spritze an der computergesteuerten Spritzenpumpe, und halten Sie den Dosierknopf der Spritzenpumpe gedrückt, um die Nadel zu reinigen, bis keine Blasen in der Flüssigkeit vorhanden sind. Stellen Sie die Pumpe so ein, dass sie das entsprechende Volumen für die Freisetzung einzelner Flüssigkeitströpfchen ausgibt, und richten Sie die Probe unter der Nadel aus. Verwenden Sie dann die Pumpe, um ein einzelnes Tröpfchen an die Probe abzugeben, und bestätigen Sie, dass das Tröpfchen landet und sich über den Interessenbereich der Probe ausbreitet.

Wenn die Tröpfcheneinstellungen bestätigt wurden, passen Sie die vertikale Position des Probenhalters an, bis die Oberfläche mit der Mitte des Sichtfeldes der Kamera gleich ist, und passen Sie die horizontale Position der Kamera so an, dass das Tröpfchen auf der Probe in der Mitte des Sichtfeldes ausgerichtet ist. Passen Sie dann die vertikalen und horizontalen Positionen der LED an die Position der Kamera an, sodass die Mitte des Lichts in der Mitte des Sichtfeldes angezeigt wird. Und stellen Sie den Abstand der Kamera vom Tröpfchen so ein, dass das Tröpfchen in den Fokus rückt.

Sobald das System ausgerichtet und kalibriert wurde, legen Sie die Bildrate der Kamera auf einen optimalen Wert für das aufgezeichnete Objekt fest. Stellen Sie die Belichtungszeit der Kamera auf einen möglichst kleinen Wert ein, während genügend Beleuchtung beibehalten wird. Und stellen Sie die Linsenöffnung auf die kleinste verfügbare Einstellung ein, während sie genügend Beleuchtung beibehält.

Stellen Sie dann den Trigger für die Kamera mithilfe eines Endmodus-Triggers ein, sodass die Kamera die Aufnahme puffert, bevor sie am Trigger anhält. Um ein Experiment durchzuführen, erstellen Sie einen Ordner, um die Filme für den aktuellen Experimentstapel zu speichern, und legen Sie diesen Ordner als Speicherort für die Kamerasoftware gemäß der Anleitung des Herstellers für die Kamera fest. Stellen Sie sicher, dass das Dateiformat für aufgenommene Bilder auf TIFF festgelegt ist.

Klicken Sie in der Benutzeroberfläche der Bildanalysegrafik auf Pfad festlegen, und wählen Sie den Speicherortordner aus, damit die Software diesen Ordner auf neue Videos überwacht. Um die Ordnerstruktur für Batchexperimente zu erstellen, klicken Sie auf Ordner erstellen, und geben Sie die minimale Droplet-Release-Höhe, die maximale Freigabehöhe, den Höhenschritt zwischen den einzelnen Experimenten und die Anzahl der Wiederholungsexperimente in jeder Höhe ein. Und klicken Sie auf OK, um das Skript "Make Folders" auszuführen.

Für den Aufprall auf eine trockene, feste Oberfläche, reinigen Sie die Oberfläche nach einem geeigneten Standardprotokoll und lassen Sie die Oberfläche vollständig trocknen. Um ein Tröpfchenaufprallereignis aufzuzeichnen, platzieren Sie das Sample auf der Beispielstufe, sodass es an der Kamera ausgerichtet ist, und bewegen Sie die Nadel auf die gewünschte Tröpfchenfreisetzungshöhe. Vergewissern Sie sich, dass die Ansicht von der Kamera ungehindert ist, bevor Sie ein Bild in der Kamerasoftware aufnehmen und speichern.

Beginnen Sie die Videoaufzeichnung, damit die Kamera aufzeichnet und puffert, und verwenden Sie die Spritzenpumpe, um ein einzelnes Tröpfchen auf die Probe zu verteilen. Lösen Sie dann aus, dass die Aufzeichnung beendet wird, sobald das Aufprallereignis abgeschlossen ist. Entfernen Sie die Oberfläche vom Probenhalter, und trocknen Sie die Oberfläche entsprechend.

Um die aufgenommene Videodatei für die Analyse vorzubereiten, scannen Sie in der Hochgeschwindigkeitskamera-Software das Video, um den ersten Frame zu finden, in dem sich das Tröpfchen vollständig im Sichtfeld befindet, und schneiden Sie den Start des Videos zu diesem Frame. Bewegen Sie sich durch die Anzahl der Frames vorwärts, die erforderlich sind, um die Phänomene des Aufprallexperiments zu erfassen, und schneiden Sie das Ende des Videos zu diesem Frame. Speichern Sie dann das Video als AVI-Datei und den Speicherpfad in den entsprechenden Ordner für den aktuellen experimentellen Batch, die Freigabehöhe und die Wiederholungsnummer.

Klicken Sie in der Bildanalyse-Oberfläche auf Dateien sortieren, und bestätigen Sie visuell, dass das erhaltene Hintergrundbild nun auf dem Bildschirm angezeigt wird. Klicken Sie dann auf Ablaufverfolgung, um mit der Bildverarbeitung zu beginnen. Das Video wird mit der resultierenden Bildverarbeitung überlagert angezeigt.

Überprüfen Sie qualitativ, ob die Bildverarbeitung ordnungsgemäß funktioniert, indem Sie sich das Video ansehen. Für die Rohdatenanalyse klicken Sie in der grafischen Benutzeroberfläche der Bildanalyse auf Daten verarbeiten, um mit der Berechnung der Hauptvariablen aus den Rohprozessdaten zu beginnen. Geben Sie dann die Bildrate der Aufnahme, flüssigkeitsdichte, Fluidoberflächenspannung und Flüssigkeitsviskositätswerte ein, und klicken Sie auf OK. Die Daten werden in der MAT-Datei des Videoordners gespeichert und als CSV-Datei exportiert.

Das Referenzquadrat muss im Kamerafeld frei und im Fokus sein. Ein falscher Fokus des Referenzquadrats führt zu einem systematischen Fehler in den berechneten Werten. Die Tröpfchenidentifikationssoftware beruht auf der Oberfläche der Probe, die der Kamera horizontal präsentiert wird, wie in diesem Bild beobachtet.

Flächen, die gebogen oder schlecht aufgelöst sind, führen zu Bildverarbeitungsfehlern. Um sicherzustellen, dass die gesamte Tröpfchenausbreitung von der Software verfolgt wird, sollte das Tröpfchen in der Mitte der Probe landen. Wenn das System falsch ausgerichtet ist, kann das Tröpfchen von der mittleren Position abdriften und ist außer Fokus.

Um sicherzustellen, dass die abgebildeten Kanten des aufprallenden Tröpfchens scharf erscheinen, sollte die kürzeste Belichtungszeit mit der verfügbaren Lichtquelle verwendet werden. Eine falsche Ausrichtung des Beleuchtungspfads relativ zur Kamera wirkt sich häufig auf andere Einstellungen aus, z. B. die Kameraöffnung und die Belichtungszeit, was zu einer unscharfen Kante zum reisenden Tröpfchen führt. Die Software sollte in der Lage sein, die gesamte Umrisslinie des Tröpfchens in den Videobildern zu verfolgen.

Wenn die Ablaufverfolgung nicht abgeschlossen ist, sind die Messwerte, z. B. die Länge des streunenden Tröpfchens, falsch. Es ist wichtig, dass die Kamera richtig fokussiert und an der Probe ausgerichtet ist und dass das gespeicherte Video mit dem in der Software bereitgestellten Pfad übereinstimmt. Andernfalls schlägt die Analyse fehl.

Wir konnten Variationen der Impact-Ergebnisse über eine Reihe von experimentellen Parametern untersuchen. Zum Beispiel bei der Bestimmung der Geschwindigkeit, wenn ein Tröpfchen zu spritzen beginnt.