Análisis de alto rendimiento de los impactos de gotas líquidas

Este protocolo permite el estudio eficiente de los impactos de caída de líquidos en superficies sólidas, un fenómeno cotidiano que es realmente importante en la industria. Los resultados pueden ser muy complejos y depender de muchos parámetros experimentales diferentes. A medida que se coordinan la adquisición y el análisis de datos, muchos experimentos se pueden llevar a cabo en un corto período de tiempo, y la calidad de los datos se puede evaluar con prontitud.

Este método es útil para estudiar cualquier parámetro básico de impacto de caída. Cualquier líquido, tamaño de caída, velocidad de impacto de caída, cualquier material de sustrato y bajo cualquier condición ambiental. Este método es realmente eficiente, pero hay una serie de pasos importantes necesarios para configurarlo correctamente.

Después de una demostración es la mejor manera de evitar errores. Para configurar la cámara de alta velocidad, coloque un marcador de alineación en la posición central del escenario de muestra, frente a la cámara, y ajuste la ampliación de la cámara para que el marcador cuadrado se ajuste al campo de visión. Cuando el marcador esté enfocado, capture una imagen.

Cargue la interfaz gráfica de usuario para el software de análisis de impacto de gotas en MATLAB, haga clic en Calibrar cámara y seleccione la imagen capturada para ejecutar el código de análisis de imagen. Introduzca el tamaño del cuadrado de calibración en milímetros y haga clic en Aceptar. Mueva el rectángulo hasta que el cuadrado de calibración sea el único objeto dentro del rectángulo y haga clic en Aceptar. El software calculará automáticamente el factor de conversión.

Para alinear el sistema experimental, coloque el soporte de la aguja a nivel de los ojos para facilitar la carga y compruebe que el tubo no esté torcido. Con una jeringa con una aguja limpia y segura, purgue manualmente el tubo de cualquier fluido residual, mientras mantiene el tubo y la aguja en posición vertical. Y llene la jeringa con el líquido de interés.

Coloque la jeringa en la bomba de jeringa controlada por ordenador y mantenga pulsado el botón de dispensación de la bomba de la jeringa para purgar la aguja hasta que no haya burbujas dentro del fluido. Ajuste la bomba para dispensar el volumen adecuado para la liberación de gotas de fluido individuales y alinee la muestra debajo de la aguja. A continuación, utilice la bomba para dispensar una sola gota en la muestra, y confirme que la gota aterriza y se extiende por el área de interés en la muestra.

Cuando se hayan confirmado los ajustes de gota, ajuste la posición vertical del portógrafo hasta que la superficie esté nivelada con el centro del campo de visión de la cámara y ajuste la posición horizontal de la cámara para que la gota de la muestra esté alineada en el centro del campo de visión. A continuación, ajuste las posiciones verticales y horizontales del LED para que coincidan con la posición de la cámara de modo que el centro de la luz aparezca en el centro del campo de visión. Y ajuste la distancia de la cámara desde la gota para que la gota entre en foco.

Una vez que el sistema se haya alineado y calibrado, establezca la velocidad de fotogramas de la cámara en un valor óptimo para el objeto que se está grabando. Ajuste el tiempo de exposición de la cámara a un valor lo más pequeño posible mientras conserva una iluminación suficiente. Y ajuste la apertura de la lente al ajuste más pequeño disponible mientras conserva suficiente iluminación.

A continuación, ajuste el gatillo de la cámara mediante un disparador de modo final, de modo que la cámara establezca la grabación antes de detenerse en el gatillo. Para llevar a cabo un experimento, cree una carpeta para almacenar las películas para el lote actual de experimentos y establezca esta carpeta como la ubicación de guardado para el software de la cámara de acuerdo con la guía del fabricante para la cámara. Asegúrese de que el formato de archivo de las imágenes capturadas esté establecido en TIFF.

Haga clic en Establecer ruta en la interfaz de usuario gráfica de análisis de imágenes y seleccione la carpeta guardar ubicación para que el software supervise esta carpeta en busca de nuevos vídeos. Para crear la estructura de carpetas para experimentos por lotes, haga clic en Crear carpetas e introduzca la altura mínima de liberación de gotas, la altura máxima de liberación, el paso de altura entre cada experimento y el número de experimentos de repetición a cada altura. Y haga clic en Aceptar para ejecutar el script de crear carpetas.

Para el impacto en una superficie seca y sólida, limpie la superficie de acuerdo con un protocolo estándar adecuado y deje que la superficie se seque por completo. Para grabar un evento de impacto de gota, coloque la muestra en la etapa de muestra de modo que esté alineada con la cámara y mueva la aguja a la altura de liberación de gotas deseada. Confirme que la vista de la cámara no está obstruida antes de capturar y guardar una imagen en el software de la cámara.

Comience la grabación de vídeo para que la cámara esté grabando y almacenando en búfer, y utilice la bomba de jeringa para dispensar una sola gota en la muestra. A continuación, active la grabación para que se detenga una vez que se haya completado el evento de impacto. Retire la superficie del soporte de la muestra y seque la superficie según corresponda.

Para preparar el archivo de vídeo capturado para su análisis, en el software de cámara de alta velocidad, escanee el vídeo para encontrar el primer fotograma en el que la gota está completamente dentro del campo de visión, y recorte el inicio del vídeo a este fotograma. Avance por el número de fotogramas necesarios para capturar los fenómenos de interés durante el experimento de impacto y recorte el final del vídeo a este fotograma. A continuación, guarde el vídeo como un archivo AVI y la ruta de guardado en la carpeta correspondiente para el lote experimental actual, la altura de liberación y el número de repetición.

En la interfaz de análisis de imágenes, haga clic en Ordenar archivos y confirme visualmente que la imagen de fondo obtenida se muestra ahora en pantalla. A continuación, haga clic en Ejecutar seguimiento para iniciar el procesamiento de imágenes. El vídeo se mostrará con el procesamiento de imágenes resultante superpuestado.

Compruebe cualitativamente que el procesamiento de imágenes funciona correctamente viendo el vídeo. Para el análisis de datos sin procesar, en la interfaz de usuario gráfica de análisis de imágenes, haga clic en Procesar datos para comenzar el cálculo de las variables principales a partir de los datos de proceso sin procesar. A continuación, introduzca la velocidad de fotogramas de la grabación, la densidad del fluido, la tensión de la superficie del fluido y los valores de viscosidad del fluido, y haga clic en Aceptar. Los datos se guardarán en el archivo MAT de la carpeta de vídeo y se exportarán como un archivo CSV.

El cuadrado de referencia debe estar sin obstáculos en el campo de visión de la cámara y en el foco. Un enfoque incorrecto del cuadrado de referencia producirá un error sistemático en los valores calculados. El software de identificación de gotas se basa en la superficie de la muestra que se presenta horizontalmente a la cámara, como se observa en esta imagen.

Las superficies dobladas o mal resueltas producirán errores de procesamiento de imágenes. Para asegurarse de que el software rastrea todo el spread de gotas, la gota debe aterrizar en el centro de la muestra. Si el sistema está alineado incorrectamente, la gota puede desviarse de la posición central y estará fuera de foco.

Para garantizar que los bordes con imagen de la gota impactante aparezcan nítidos, se debe utilizar el menor tiempo de exposición posible con la fuente de luz disponible. La alineación incorrecta de la trayectoria de iluminación en relación con la cámara a menudo afecta a otros ajustes, como la apertura de la cámara y el tiempo de exposición, lo que da como resultado un borde difuso a la gota de desplazamiento. El software debe ser capaz de rastrear todo el contorno de la gota en las imágenes de vídeo.

Si el seguimiento no se completa, los valores medidos, como la longitud de la gota de propagación, serán incorrectos. Es esencial que la cámara esté correctamente enfocada y alineada con la muestra, y que el video guardado coincida con la ruta proporcionada en el software. De lo contrario, se producirá un error en el análisis.

Hemos sido capaces de explorar variaciones en los resultados de impacto en una gama de parámetros experimentales. Por ejemplo, al determinar la velocidad de cuándo una gota comienza a salpicar.