Análise de alto throughput de impactos de gotículas líquidas

Este protocolo permite o estudo eficiente dos impactos da queda líquida em superfícies sólidas, um fenômeno cotidiano que é realmente importante na indústria. Os resultados podem ser realmente complexos, e dependem de muitos parâmetros experimentais diferentes. À medida que a aquisição e análise de dados são coordenadas, muitos experimentos podem ser realizados em um curto período de tempo, e a qualidade dos dados pode ser avaliada prontamente.

Este método é útil para estudar quaisquer parâmetros básicos de impacto de queda. Quaisquer líquidos, tamanho da queda, velocidade de impacto de queda, qualquer material substrato, e sob quaisquer condições ambientais. Este método é realmente eficiente, mas há uma série de passos importantes necessários para configurá-lo corretamente.

Seguir uma demonstração é a melhor maneira de evitar erros. Para configurar a câmera de alta velocidade, coloque um marcador de alinhamento na posição central do estágio de amostra, de frente para a câmera, e ajuste a ampliação da câmera para que o marcador quadrado se encaixe dentro do campo de visão. Quando o marcador estiver em foco, capture uma imagem.

Carregue a interface gráfica do usuário para o software de análise de impacto de gotícula no MATLAB, clique em Calibrar Câmera e selecione a imagem capturada para executar o código de análise de imagem. Digite o tamanho do quadrado de calibração em milímetros e clique em OK. Mova o retângulo até que o quadrado de calibração seja o único objeto dentro do retângulo e clique bem. O software calculará automaticamente o fator de conversão.

Para alinhar o sistema experimental, posicione o suporte da agulha ao nível dos olhos para facilitar o carregamento e verifique se a tubulação não está torcida. Utilizando uma seringa com uma agulha segura e limpa, limpe manualmente o tubo de qualquer fluido residual, mantendo a tubulação e a agulha em posição vertical. E encha a seringa com o fluido de interesse.

Conecte a seringa à bomba de seringa controlada pelo computador e clique e segure o botão de distribuição da bomba de seringa para limpar a agulha até que não haja bolhas dentro do fluido. Ajuste a bomba para dispensar o volume apropriado para a liberação de gotículas de fluidos individuais e alinhe a amostra sob a agulha. Em seguida, use a bomba para distribuir uma única gota na amostra e confirme que a gota pousa e se espalha pela área de interesse da amostra.

Quando as configurações da gotícula tiverem sido confirmadas, ajuste a posição vertical do suporte da amostra até que a superfície esteja nivelada com o centro do campo de visão da câmera e ajuste a posição horizontal da câmera para que a gota na amostra esteja alinhada no centro do campo de visão. Em seguida, ajuste as posições verticais e horizontais do LED para combinar com a posição da câmera para que o centro da luz apareça no centro do campo de visão. E ajuste a distância da câmera da gota para que a gota entre em foco.

Uma vez que o sistema tenha sido alinhado e calibrado, defina a taxa de quadros da câmera como um valor ideal para o objeto que está sendo gravado. Defina o tempo de exposição da câmera para o menor de um valor possível, mantendo uma iluminação suficiente. E ajuste a abertura da lente para a menor configuração disponível, mantendo iluminação suficiente.

Em seguida, ajuste o gatilho para a câmera usando um gatilho de modo final, de modo que a câmera tampe a gravação antes de parar no gatilho. Para realizar um experimento, crie uma pasta para armazenar os filmes para o lote atual de experimentos e defina esta pasta como o local de salvamento para o software da câmera de acordo com o guia do fabricante para a câmera. Certifique-se de que o formato de arquivo para imagens capturadas está definido como TIFF.

Clique em Definir caminho na interface gráfica de análise de imagem do usuário e selecione a pasta de localização de salvamento para que o software monitore essa pasta para novos vídeos. Para criar a estrutura da pasta para experimentos em lote, clique em Fazer pastas e digite a altura mínima de liberação de gotículas, a altura máxima de liberação, o passo de altura entre cada experimento e o número de experimentos repetidos em cada altura. E clique em OK para executar o script de pastas de make.

Para o impacto em uma superfície seca e sólida, limpe a superfície de acordo com um protocolo padrão adequado e permita que a superfície seque completamente. Para registrar um evento de impacto de gotícula, coloque a amostra no estágio da amostra para que ela esteja alinhada com a câmera e mova a agulha para a altura desejada de liberação de gotículas. Confirme se a visão da câmera está desobstruída antes de capturar e salvar uma imagem no software da câmera.

Inicie a gravação de vídeo para que a câmera esteja gravando e tamponando, e use a bomba de seringa para distribuir uma única gota na amostra. Em seguida, acione a gravação para parar assim que o evento de impacto estiver completo. Remova a superfície do suporte da amostra e seque a superfície conforme apropriado.

Para preparar o arquivo de vídeo capturado para análise, no software da câmera de alta velocidade, escaneie o vídeo para encontrar o primeiro quadro em que a gota está completamente dentro do campo de visão, e corte o início do vídeo para este quadro. Siga em frente pelo número de quadros necessários para capturar os fenômenos de interesse durante o experimento de impacto, e corte o final do vídeo para este quadro. Em seguida, salve o vídeo como um arquivo AVI e o caminho de salvamento para a pasta correspondente para o lote experimental atual, altura de lançamento e número de repetição.

Na interface de análise de imagens, clique em Classificar arquivos e confirme visualmente que a imagem de fundo obtida agora é exibida na tela. Em seguida, clique em executar rastreamento para iniciar o processamento da imagem. O vídeo será exibido com o processamento de imagem resultante sobreposto.

Verifique qualitativamente se o processamento da imagem está funcionando corretamente assistindo ao vídeo. Para análise de dados brutos, na interface gráfica de análise de imagem do usuário, clique em Dados de Processo para iniciar o cálculo das principais variáveis a partir dos dados do processo bruto. Em seguida, digite a taxa de quadros de gravação, densidade de fluidos, tensão da superfície fluida e valores de viscosidade fluida, e clique em OK. Os dados serão salvos no arquivo MAT da pasta de vídeo e exportados como um arquivo CSV.

O quadrado de referência deve ser desobstruído no campo de visão da câmera e em foco. Um foco incorreto do quadrado de referência produzirá um erro sistemático nos valores calculados. O software de identificação de gotículas conta com a superfície da amostra sendo apresentada horizontalmente à câmera, como observado nesta imagem.

Superfícies dobradas ou mal resolvidas produzirão erros de processamento de imagem. Para garantir que toda a gotícula seja rastreada pelo software, a gota deve pousar no centro da amostra. Se o sistema estiver incorretamente alinhado, a gota pode se afastar da posição central e estará fora de foco.

Para garantir que as bordas de imagem da gotícula impactante pareçam nítidas, o menor tempo de exposição possível com a fonte de luz disponível deve ser usado. O alinhamento incorreto do caminho de iluminação em relação à câmera frequentemente afeta outras configurações, como a abertura da câmera e o tempo de exposição, resultando em uma borda difusa para a gota de viagem. O software deve ser capaz de rastrear todo o contorno da gota nas imagens de vídeo.

Se o traço não for concluído, os valores medidos, como o comprimento da gotícula de propagação, estarão incorretos. É essencial que a câmera esteja corretamente focada e alinhada com a amostra, e que o vídeo salvo corresponda ao caminho fornecido no software. Caso contrário, a análise falhará.

Conseguimos explorar variações nos resultados de impacto ao longo de uma série de parâmetros experimentais. Por exemplo, na determinação da velocidade de quando uma gota começa a espirrar.