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Engineering

तरल बूंद प्रभावों का उच्च थ्रूपुट विश्लेषण

doi: 10.3791/60778 Published: March 6, 2020

Summary

यह प्रोटोकॉल तरल ड्रॉप प्रभावों की प्रायोगिक उच्च गति छवियों के कुशल संग्रह और बैचों में उन डेटा का त्वरित विश्लेषण करने में सक्षम बनाता है। इन प्रक्रियाओं को कारगर बनाने के लिए, विधि में वर्णन किया गया है कि तंत्र को कैसे जांचना और स्थापित किया जाए, एक उपयुक्त डेटा संरचना उत्पन्न की जाए और एक छवि विश्लेषण लिपि तैनात की जाए।

Abstract

सतहों पर तरल ड्रॉप प्रभावों के प्रायोगिक अध्ययन अक्सर भौतिक गुणों, प्रभाव स्थितियों और प्रायोगिक विन्यास जैसे संभावित प्रयोगात्मक मापदंडों की बड़ी श्रृंखला के कारण उनके दायरे में प्रतिबंधित होते हैं। इसे जटिल करते हुए, ड्रॉप प्रभावों का अक्सर डेटा-समृद्ध उच्च-गति फोटोग्राफी का उपयोग करके अध्ययन किया जाता है, ताकि विस्तृत और समय पर कई प्रयोगों का विश्लेषण करना मुश्किल हो। इस विधि का उद्देश्य व्यवस्थित दृष्टिकोण का उपयोग करके उच्च गति फोटोग्राफी के साथ बूंद प्रभावों के कुशल अध्ययन को सक्षम करना है। उपकरण को उन वीडियो का उत्पादन करने के लिए गठबंधन और कैलिब्रेट किया जाता है जिन्हें कस्टम इमेज प्रोसेसिंग कोड द्वारा सटीक रूप से संसाधित किया जा सकता है। इसके अलावा, यहां वर्णित फाइल संरचना सेटअप और कार्यप्रवाह डेटा प्रसंस्करण की दक्षता और स्पष्ट संगठन सुनिश्चित करते हैं, जो शोधकर्ता अभी भी प्रयोगशाला में है। इमेज प्रोसेसिंग विधि वीडियो के प्रत्येक फ्रेम में प्रभावित बूंद की डिजिटाइज्ड रूपरेखा निकालती है, और आवश्यक के रूप में आगे विश्लेषण के लिए प्रसंस्कृत डेटा संग्रहीत किया जाता है। प्रोटोकॉल मानता है कि एक बूंद गुरुत्वाकर्षण के तहत खड़ी जारी की जाती है, और प्रभाव छायालेख का उपयोग कर प्रकाशित ड्रॉप के साथ साइड-ऑन से कैमरे को देखने द्वारा दर्ज किया जाता है। उच्च गति की घटनाओं के छवि विश्लेषण से जुड़े कई समान प्रयोगों प्रोटोकॉल और इस्तेमाल उपकरणों के लिए मामूली समायोजन के साथ संबोधित किया जा सकता है ।

Introduction

सतहों पर तरल बूंद प्रभाव मौलिक घटनाओंको समझने के लिए और औद्योगिक प्रक्रियाओं के लिएदोनोंके लिए बहुत रुचि रखते हैं । ड्रॉप प्रभावों का अध्ययन 100 से अधिक वर्षों से किया गयाहै,लेकिन कई पहलुओं की अभी पूरी तरह से जांच की जानी है। ड्रॉप प्रभावों के अध्ययन के लिए उच्च गति फोटोग्राफी लगभग सार्वभौमिक रूप से उपयोग की जाती है4 क्योंकि यह समृद्ध, सुलभ डेटा प्रदान करता है जो विश्लेषणात्मक माप को अच्छे समय के समाधान के साथ बनाने में सक्षम बनाता है। एक ठोस सतह5,6,7 पर एक बूंद प्रभाव के परिणाम सरल जमाव से लेकर8तक होते हैं । सुपरहाइड्रोफोबिक सतहों पर प्रभावों का अक्सर अध्ययन किया जाता है क्योंकि वे विशेष रूप से दिलचस्प परिणाम उत्पन्न कर सकते हैं, जिसमें ड्रॉप उछलना9,10,11,12शामिल है। यहां वर्णित प्रोटोकॉल माइक्रोस्केल पैटर्निंग के साथ बहुलक सतहों पर पानी की बूंद प्रभावों का अध्ययन करने के लिए विकसित किया गया था, और विशेष रूप से ड्रॉप प्रभाव परिणामों पर पैटर्न का प्रभाव13,14

एक बूंद प्रभाव प्रयोग का परिणाम संभावित चर की एक बड़ी श्रृंखला से प्रभावित हो सकता है। घनत्व, सतह तनाव और चिपचिपाहट जैसे तरल गुणों के साथ-साथ बूंद का आकार और वेग भिन्न हो सकता है। ड्रॉप या तो न्यूटोनियन15 या गैर-न्यूटोनियन16हो सकता है । प्रभाव सतहों की एक बड़ी विविधता का अध्ययन किया गया है, जिसमें तरल7,17,ठोस18और लोचदार19 सतहें शामिल हैं। विभिन्न संभावित प्रयोगात्मक विन्यास पहले लगाम एट अल17द्वारा वर्णित किए गए थे। बूंद अलग-अलग आकार ले सकती है। यह सतह के कोण पर दोलन, घूर्णन या प्रभाव हो सकता है। सतह की बनावट, और तापमान जैसे पर्यावरणीय कारक भिन्न हो सकते हैं। ये सभी पैरामीटर बूंद प्रभावों के क्षेत्र को बेहद व्यापक बनाते हैं।

चर की इस बड़ी रेंज के कारण, गतिशील तरल गीला घटना के अध्ययन अक्सर अपेक्षाकृत विशिष्ट या संकीर्ण विषयों पर ध्यान केंद्रित करने के लिए सीमित हैं । ऐसी कई जांचमैन्युअल रूप से संसाधित उच्च गति वाले वीडियो10,20,21,22से प्राप्त प्रयोगों (जैसे, 50−200 डेटा अंक) की मध्यम संख्या का उपयोग करती हैं। इस तरह के अध्ययनों की चौड़ाई डेटा की मात्रा से सीमित है जो शोधकर्ता द्वारा उचित समय में प्राप्त किया जा सकता है। वीडियो की मैन्युअल प्रसंस्करण के लिए उपयोगकर्ता को दोहराव वाले कार्यकरने की आवश्यकता होती है, जैसे कि प्रभावित बूंदों के व्यास को मापना, अक्सर छवि विश्लेषण सॉफ्टवेयर के उपयोग के साथ हासिल किया जाता है (फिजी23 और ट्रैकर24 लोकप्रिय विकल्प हैं)। बूंद प्रभावों की विशेषता के लिए सबसे व्यापक रूप से उपयोग किया जाने वालामाप25, 26,27,28की फैलती बूंद का व्यास है ।

छवि प्रसंस्करण में सुधार के कारण, स्वचालित कंप्यूटर-सहायता प्राप्त विधियां डेटा संग्रह दक्षता में सुधार करना शुरू कर रही हैं। उदाहरण के लिए, संपर्क कोण29 के स्वचालित माप के लिए छवि विश्लेषण एल्गोरिदम और लटकन ड्रॉप विधि30 का उपयोग कर सतह तनाव अब उपलब्ध हैं । ड्रॉप प्रभावों की उच्च गति फोटोग्राफी के लिए बहुत अधिक दक्षता लाभ बनाया जा सकता है, जो विश्लेषण के लिए कई व्यक्तिगत छवियों से मिलकर फिल्मों का उत्पादन करता है, और वास्तव में हाल के कुछ अध्ययनों ने स्वचालित विश्लेषण15,18का उपयोग करना शुरू कर दिया है, हालांकि प्रायोगिक कार्यप्रवाह स्पष्ट रूप से नहीं बदला है। ड्रॉप प्रभाव प्रयोगों के लिए प्रयोगात्मक डिजाइन में अन्य सुधार वाणिज्यिक रूप से उपलब्ध एलईडी प्रकाश स्रोतों में प्रगति से उत्पन्न हुए हैं, जिन्हें शैडोग्राफ तकनीक31,32,33,34के माध्यम से उच्च गति वाले कैमरों के साथ जोड़ा जा सकता है।

यह लेख ड्रॉप प्रभाव फिल्मों के कैप्चर और विश्लेषण के लिए एक मानकीकृत विधि का वर्णन करता है। प्राथमिक उद्देश्य बड़े डेटा सेट के कुशल संग्रह को सक्षम करना है, जो आम तौर पर ऊपर वर्णित ड्रॉप प्रभाव अध्ययनों की विस्तृत विविधता के लिए उपयोगी होना चाहिए। इस विधि का उपयोग करके, एक दिन में ~ 100 प्रयोगों के लिए प्रभावित ड्रॉप की समय-समाधान, डिजिटाइज्ड रूपरेखा प्राप्त की जा सकती है। विश्लेषण स्वचालित रूप से बूंद प्रभाव मापदंडों (आकार, वेग, वेबर और रेनॉल्ड्स संख्या) और अधिकतम प्रसार व्यास की गणना करता है। प्रोटोकॉल किसी भी बुनियादी बूंद मापदंडों (तरल, आकार, और प्रभाव वेग सहित), सब्सट्रेट सामग्री, या पर्यावरण ीय स्थितियों के लिए सीधे लागू होता है। अध्ययन है कि प्रयोगात्मक मापदंडों की एक बड़ी श्रृंखला स्कैन एक अपेक्षाकृत कम समय सीमा में आयोजित किया जा सकता है । विधि कई दोहराने वाले प्रयोगों के साथ चर की एक छोटी श्रृंखला को कवर करते हुए उच्च रिज़ॉल्यूशन अध्ययनों को भी प्रोत्साहित करती है।

इस विधि के लाभ मानकीकृत प्रयोग, और एक स्पष्ट डेटा संरचना और कार्यप्रवाह द्वारा प्रदान किए जाते हैं। प्रायोगिक सेटअप प्रयोग के तुरंत बाद रिकॉर्ड किए गए वीडियो के त्वरित प्रसंस्करण के लिए लगातार गुणों (स्थानिक और विपरीत) के साथ छवियों का उत्पादन करता है जिन्हें कस्टम छवि विश्लेषण कोड (मैटलैब पर चलने वाली पूरक कोडिंग फ़ाइल के रूप में शामिल) में पारित किया जा सकता है। डेटा प्रोसेसिंग और अधिग्रहण का एकीकरण डेटा संग्रह की बेहतर समग्र गति के लिए एक प्राथमिक कारण है। डेटा अधिग्रहण के सत्र के बाद, प्रत्येक वीडियो को संसाधित किया गया है और वीडियो के पुनर्प्रसंस्करण की आवश्यकता के बिना सभी प्रासंगिक कच्चे डेटा को आगे के विश्लेषण के लिए संग्रहीत किया जाता है। इसके अलावा, उपयोगकर्ता नेत्रहीन प्रत्येक प्रयोग की गुणवत्ता का निरीक्षण करने के तुरंत बाद इसे किया जाता है और यदि आवश्यक हो तो प्रयोग दोहरा सकता है। एक प्रारंभिक अंशांकन चरण यह सुनिश्चित करता है कि प्रायोगिक सेटअप को अच्छी सटीकता के साथ विभिन्न प्रयोगशाला सत्रों के बीच पुन: पेश किया जा सकता है।

यह माना जाता है कि इस विधि को लागू करने के लिए उपयोगकर्ता के पास एक उच्च गति वाले कैमरे तक पहुंच है ताकि यह क्षैतिज (साइड-ऑन) दृष्टिकोण से सतह की छवियां हो। कार्टेशियन कुल्हाड़ियों की परिभाषा सहित इस व्यवस्था का एक योजनाबद्ध प्रतिनिधित्व चित्रा 1में दिखाया गया है। सिस्टम में तीन आयामों (एक्स, वाई और जेड) में कैमरा और नमूना दोनों को ठीक से स्थिति करने की क्षमता होनी चाहिए। बूंद को रोशन करने के लिए एक शैडोग्राफ विधि लागू की जाती है और कैमरे के ऑप्टिकल पथ के साथ रखा जाता है। सिस्टम को एक उच्च गुणवत्ता वाले प्रत्यक्ष वर्तमान (डीसी) एलईडी रोशनी प्रणाली (एक मिलान कंपाउंडर लेंस सहित) का उपयोग करना चाहिए जिसे कैमरे के साथ ऑप्टिकल पथ को संरेखित करने के लिए एक्स और जेड दिशाओं में स्थानांतरित किया जा सकता है। यह भी माना जाता है कि उपयोगकर्ता के पास एक सिरिंज पंप तक पहुंच है जिसे वे किसी विशेष सुई35से कनेक्ट होने पर वांछित मात्रा की व्यक्तिगत बूंदों का उत्पादन करने के लिए प्रोग्राम कर सकते हैं। बूंद गुरुत्वाकर्षण के नीचे आती है ताकि इसके प्रभाव वेग सतह के ऊपर सुई की स्थिति से नियंत्रित हो। यद्यपि यह सेटअप काफी सामान्य है, सामग्री की तालिका में प्रतिनिधि परिणाम प्राप्त करने के लिए उपयोग किए जाने वाले विशिष्ट उपकरणों को सूचीबद्ध किया गया है, और उपकरणों की पसंद द्वारा लगाए गए कुछ संभावित प्रतिबंधों को नोट किया जाता है।

Figure 1
चित्रा 1: न्यूनतम प्रयोगात्मक सेटअप का योजनाबद्ध प्रतिनिधित्व। एक उच्च गति कैमरा साइड-ऑन से एक नमूने पर खड़ी प्रभाव वाली छवि बूंदों के लिए तैनात है। एक एलईडी लाइट स्रोत छायालेख के लिए कैमरे की दृष्टि की रेखा के साथ गठबंधन किया है । एक सुई व्यक्तिगत बूंद उत्पादन के लिए प्रयोग किया जाता है, और कार्टेशियन कुल्हाड़ियों को परिभाषित किया जाता है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

विधि विवरण तरल बूंदों के किनारों की माप पर केंद्रित है क्योंकि वे गिरते हैं और प्रभाव डालते हैं। छवियां आमतौर पर उपयोग किए जाने वाले साइड-ऑन दृष्टिकोण से प्राप्त की जाती हैं। दो हाई स्पीड कैमरों13,14का उपयोग करके साइड-ऑन और बॉटम-अप दोनों दृश्यों से बूंदों को फैलाने की जांच करना संभव है, लेकिन अपारदर्शी सामग्रियों के लिए बॉटम-अप दृश्य संभव नहीं है, और एक ऊपर-नीचे दृश्य संरेखण जटिलताओं का उत्पादन करता है। बुनियादी कार्यप्रवाह का उपयोग सतहों को प्रभावित करने वाली किसी भी छोटी (2−3 मिमी व्यास) वस्तुओं के लिए अनुसंधान में सुधार करने के लिए किया जा सकता है, और इसका उपयोग आगे मामूली परिवर्तनों के साथ बड़ी या छोटी वस्तुओं के लिए किया जा सकता है। प्रायोगिक सेटअप और विधि में सुधार और विकल्प चर्चा अनुभाग में आगे माना जाता है।

Protocol

1. हाई-स्पीड कैमरा स्थापित करना

  1. कैमरे के लिए निश्चित क्षेत्र (एफओवी) सेट करें और पिक्सेल से मिमी तक रूपांतरण कारक की गणना करें।
    1. नमूना चरण की केंद्र स्थिति पर एक संरेखण मार्कर (उदाहरण के लिए, प्रदान किए गए छवि विश्लेषण कोड के साथ 4 मिमी साइड लेंथ मार्कर) रखें ताकि यह कैमरे का सामना कर रहा हो। कैमरे के आवर्धन को समायोजित करें ताकि स्क्वायर मार्कर एफओवी के भीतर फिट हो जाए। सुनिश्चित करें कि मार्कर ध्यान में है और एक छवि पर कब्जा ।
      नोट: छवि विश्लेषण कोड के लिए आवश्यक है कि एक इमेज्ड ड्रॉपलेट कुल एफओवी के 1% से अधिक को कवर करता है, अन्यथा इसे शोर के रूप में वर्गीकृत किया जाता है। इसी तरह, बूंद को एफओवी का 40% से अधिक नहीं लेना चाहिए, अन्यथा इसे एक असफल छवि प्रसंस्करण घटना के रूप में पहचाना जाता है।
    2. लेंस के आवर्धन को लॉक करें और सुनिश्चित करें कि यह प्रयोगों के एक बैच के दौरान अपरिवर्तित रहता है।
    3. मैटलैब के भीतर आइकन पर क्लिक करके ड्रॉपलेट इम्पैक्ट एनालिसिस सॉफ्टवेयर के लिए ग्राफिकल यूजर इंटरफेस (जीयूआई) लोड करें।
    4. छवि विश्लेषण कोड चलाएं। जीयूआई पर, कैलिब्रेट कैमरा बटन पर क्लिक करें और चरण 1.1.1 में प्राप्त छवि का चयन करें। एमएम में अंशांकन वर्ग के आकार दर्ज करें और ठीकक्लिक करें।
    5. स्क्रीन पर दिखाए गए आयत को तब तक ले जाएं जब तक कि अंशांकन वर्ग इसके भीतर एकमात्र वस्तु न हो। ओके पर क्लिक करें और सॉफ्टवेयर स्वचालित रूप से रूपांतरण कारक की गणना करेगा। यदि स्वचालित अंशांकन विफल हो जाता है, तो मैनुअल अंशांकन करने के लिए सॉफ्टवेयर गाइड का पालन करें।
  2. प्रायोगिक प्रणाली को संरेखित करें।
    1. अलग-अलग बूंदों के वितरण के लिए उपयोग किए जा रहे तरल को तैयार करें।
      1. लोडिंग में आसानी सक्षम करने के लिए उपयोगकर्ता की आंख के स्तर के चारों ओर सुई माउंट की स्थिति।
      2. मैन्युअल रूप से एक सिरिंज के साथ के माध्यम से हवा धक्का द्वारा किसी भी तरल पदार्थ को हटाने के लिए टयूबिंग शुद्ध । सुनिश्चित करें कि ट्यूबिंग मुड़ नहीं है और सुई सुरक्षित और साफ है। सुई और ट्यूबिंग को ठीक करें ताकि सुई ऊर्ध्वाधर हो।
        नोट: यदि आवश्यक हो, तो अल्ट्रासोनिक स्नान में इथेनॉल के साथ स्टील की सुई को साफ करें।
      3. सिरिंज को तरल पदार्थ से भरें (जैसे, पानी) की जांच की जा रही है और इसे कंप्यूटर नियंत्रित सिरिंज पंप से अटैच करें। सिरिंज पंप का उपयोग कर सुई शुद्ध (क्लिक करें और डिस्पेंस बटन पकड़) जब तक कोई बुलबुले तरल पदार्थ में मौजूद हैं ।
      4. सिरिंज पंप सेट इतना है कि यह एक व्यक्तिगत बूंद की रिहाई के लिए आवश्यक मात्रा बांटना होगा ।
        नोट: प्रतिनिधि परिणामों के लिए, औसत बूंद व्यास ०.५ mL/min की एक वितरण दर और 11 μL की एक तिरस्कृत मात्रा का उपयोग कर २.६ मिमी था । पंपिंग दर काफी धीमी होनी चाहिए ताकि बूंदों के रूप में और गुरुत्वाकर्षण के तहत जारी है, और यह परीक्षण और त्रुटि के माध्यम से ठीक देखते किया जा सकता है । बूंद की मात्रा14 के रूप में अनुमानित किया जा सकता है
        Equation 1
        जहां डी सुई व्यास है,एलजी तरल गैस की सतह तनाव है, और तरल घनत्व है।
    2. नमूना (जैसे, फ्लैट पॉलीडिमेथिलसिलोक्सेन [पीडीएम]) को सुई के नीचे रखकर और सिरिंज पंप का उपयोग करके एक बूंद वितरित करके संरेखित करें। जांच करें कि बूंद भूमि और नमूना है कि ब्याज की है के क्षेत्र पर फैलता है, और यदि आवश्यक के रूप में नमूना स्थिति में परिवर्तन नहीं है ।
      नोट: यदि बूंद संरेखण मुश्किल साबित हो रहा है, तो जांच लें कि सुई धारक में सुई को सही ढंग से रखा गया है और झुका हुआ नहीं है। नमूना अब एक्स और वाई कुल्हाड़ियों के सापेक्ष गठबंधन किया गया है और प्रयोगों के दौरान स्थानांतरित नहीं किया जाना चाहिए।
    3. संरेखित करें और कैमरे पर ध्यान केंद्रित करें।
      1. नमूने पर एक बूंद बांटें। नमूना धारक की ऊर्ध्वाधर स्थिति (जेड) को तब तक समायोजित करें जब तक कि सतह कैमरे के एफओवी के केंद्र के साथ स्तर न हो।
      2. कैमरे की क्षैतिज स्थिति (एक्स) को समायोजित करें ताकि नमूने पर बूंद एफओवी के केंद्र में गठबंधन हो। कैमरे की स्थिति से मेल खाने के लिए एलईडी के वर्टिकल (जेड) और क्षैतिज (एक्स) पदों को समायोजित करें, ताकि प्रकाश का केंद्र एफओवी के केंद्र में दिखाई दे। बूंद से कैमरे की दूरी (वाई) समायोजित करें ताकि बूंद ध्यान में आए।
        नोट: सिस्टम अब गठबंधन और अंशांकित है। यदि सभी उपकरणों की स्थिति अपरिवर्तित है, तो प्रोटोकॉल को पुन: संरेखण के बिना रोका और पुनः आरंभ किया जा सकता है। ऊर्ध्वाधर दिशा (जेड) में नमूना संरेखण अलग मोटाई के नमूनों के लिए दोहराया जाना चाहिए।
    4. कैमरे के लिए रिकॉर्डिंग की स्थिति निर्धारित करें।
      1. वस्तु रिकॉर्ड किए जाने के लिए कैमरे की फ्रेम दर को इष्टतम मूल्य पर सेट करें।
        नोट: कैमरे की इष्टतम फ्रेम दर(एफपीएस)31 का उपयोग कर भविष्यवाणी की जा सकती है
        Equation 2
        जहां एन नमूना दर है (वस्तु के रूप में कैप्चर की गई छवियों की संख्या लंबाई पैमाने को कवर करती है, सामान्य रूप से 10), वी बूंद का वेग है, और जे इमेजिंग लंबाई पैमाने (जैसे, एफओवी) है।
      2. पर्याप्त रोशनी को बनाए रखते हुए कैमरे के एक्सपोजर समय को यथासंभव छोटे मूल्य पर सेट करें। इस स्तर पर, पर्याप्त रोशनी को बनाए रखते हुए सबसे छोटी उपलब्ध सेटिंग में लेंस एपर्चर को समायोजित करें।
        नोट: न्यूनतम एक्सपोजर समय के लिए एक अनुमान(टीई)31 द्वारा दिया जाता है
        Equation 3
        जहां कश्मीर लंबाई पैमाने (उदाहरण के लिए, एक पिक्सेल का आकार), PMAG प्राथमिक आवर्धन है, और वी बूंद का वेग है ।
      3. कैमरे के लिए ट्रिगर सेट करें। एक एंड मोड ट्रिगर का उपयोग करें ताकि कैमरा रिकॉर्डिंग को बफर करे, फिर ट्रिगर पर रुक जाए (उदाहरण के लिए, उपयोगकर्ता माउस-क्लिक)।
        नोट: इस प्रक्रिया को स्वचालित करने के लिए एक स्वचालित ट्रिगर सिस्टम का उपयोग किया जा सकता है।

2. प्रयोग ों का आयोजन

  1. प्रयोगों के एक बैच के लिए कंप्यूटर फ़ाइल प्रणाली तैयार करें।
    1. प्रयोगों के वर्तमान बैच के लिए फिल्मों को स्टोर करने के लिए एक फ़ोल्डर बनाएं। कैमरा निर्माता गाइड के बाद कैमरा सॉफ्टवेयर के लिए सेव लोकेशन के रूप में इस फ़ोल्डर सेट करें। सुनिश्चित करें कि कैप्चर की गई छवियों के लिए फ़ाइल प्रारूप .tif है।
    2. इमेज एनालिसिस जीयूआई में सेट पाथ बटन पर क्लिक करें और स्टेप 2.1.1 में उसी फोल्डर का चयन करें, जो सॉफ्टवेयर को नए वीडियो के लिए इस फोल्डर की निगरानी करने के लिए कहता है ।
    3. प्रयोगों के एक बैच के लिए फ़ोल्डर संरचना बनाएं।
      1. इमेज एनालिसिस जीयूआई पर मेक फोल्डर्स बटन पर क्लिक करें और प्रेरित के अनुसार चार मूल्यों में प्रवेश करें: 1) न्यूनतम बूंद रिलीज ऊंचाई, 2) अधिकतम रिलीज ऊंचाई, 3) प्रत्येक प्रयोग के बीच ऊंचाई चरण, और 4) प्रत्येक ऊंचाई पर दोहराने वाले प्रयोगों की संख्या।
        नोट: प्रभाव वेग वी = (2gh)1/2के रूप में अनुमानित किया जा सकता है, जहां जी गुरुत्वाकर्षण के कारण त्वरण है और एच ड्रॉप रिलीज ऊंचाई है ।
      2. मेक फोल्डर्स स्क्रिप्ट चलाने के लिए ओके पर क्लिक करें।
        नोट: इस प्रयोग के लिए निर्देशिका में अब फ़ोल्डर की एक श्रृंखला बनाई गई है। इन फ़ोल्डर्स का नाम "height_xx" रखा गया है जहां xx बूंद रिलीज की ऊंचाई है। इनमें से प्रत्येक फ़ोल्डर में, खाली फ़ोल्डर प्रत्येक दोहराने वाले प्रयोग के लिए डेटा स्टोर करने के लिए तैयार हैं। प्रत्येक नई सतह या तरल पदार्थ का अध्ययन करने के लिए धारा 2.1 दोहराएं।
  2. प्रयोग के लिए आवश्यकतानुसार सतह तैयार करें। सूखी, ठोस सतह पर प्रभाव के लिए, सतह को उपयुक्त मानक प्रोटोकॉल के साथ साफ करें और इसे पूरी तरह से सूखने की अनुमति दें।
  3. एक बूंद प्रभाव घटना रिकॉर्ड करें।
    1. सैंपल स्टेज पर रखें। यदि आवश्यक हो, तो इसे कैमरे के साथ संरेखित करने के लिए सतह को घुमाएं। सुई को वांछित बूंद रिलीज ऊंचाई पर ले जाएं।
    2. सुनिश्चित करें कि कैमरे से दृश्य अबाधित है, फिर कैमरा सॉफ़्टवेयर का उपयोग करके एक छवि को कैप्चर और सेव करें (छवि प्रसंस्करण के दौरान बाद में उपयोग किया जाना)। वीडियो रिकॉर्डिंग शुरू करें ताकि कैमरा रिकॉर्डिंग और बफरिंग कर रहा हो (यानी, कैमरे की इंटरनल मेमोरी भरना)।
    3. सिरिंज पंप (चरण 1.2.1.4) का उपयोग करके नमूने पर एक बूंद वितरित करें। प्रभाव घटना पूरी होने के बाद रिकॉर्डिंग को रोकने के लिए ट्रिगर करें। नमूना धारक से सतह निकालें और इसे सुखाने के रूप में, के रूप में उपयुक्त है।
  4. आगे के विश्लेषण के लिए वीडियो फ़ाइल तैयार करें।
    1. वीडियो फसल।
      1. उपयुक्त सॉफ्टवेयर (उदाहरण के लिए, हाई-स्पीड कैमरा सॉफ्टवेयर) का उपयोग करना, पहले फ्रेम को खोजने के लिए वीडियो के माध्यम से स्कैन करें जिसमें बूंद पूरी तरह से एफओवी के भीतर है। इस फ्रेम के लिए वीडियो की शुरुआत फसल।
      2. प्रभाव प्रयोग के दौरान ब्याज की घटनाओं को कैप्चर करने के लिए आवश्यक फ्रेम की संख्या से आगे बढ़ें (उदाहरण के लिए, 250 फ्रेम आमतौर पर 10,000 एफपीएस पर कब्जा किए गए प्रभावों के लिए पर्याप्त होते हैं)। इस फ्रेम के लिए वीडियो के अंत फसल।
      3. वीडियो को .avi फ़ाइल के रूप में सहेजें, वर्तमान प्रायोगिक बैच के लिए संबंधित फ़ोल्डर के लिए सेव पाथ सेट करें, ऊंचाई जारी करें, और दोहराएं।
    2. इमेज एनालिसिस जीयूआई में सॉर्ट फाइल्स बटन पर क्लिक करें। नेत्रहीन पुष्टि करते हैं कि चरण 2.3.2 में ली गई पृष्ठभूमि छवि अब स्क्रीन पर प्रदर्शित होती है। यह नवीनतम सहेजा गया पाता है .avi फ़ाइल और .tif फ़ाइल और उन्हें एक ही फ़ोल्डर में ले जाता है, यह मानते हुए कि उन्हें एक ही समय में लिया गया था।
    3. इमेज प्रोसेसिंग शुरू करने के लिए रन ट्रेसिंग बटन पर क्लिक करें। वीडियो को परिणामस्वरूप छवि प्रसंस्करण मढ़ा के साथ प्रदर्शित किया जाएगा। गुणात्मक रूप से जांच करें कि वीडियो देखकर छवि प्रसंस्करण सही ढंग से काम कर रहा है।
      नोट: इमेज प्रोसेसिंग पूरी होने पर इमेज प्रोसेसिंग कोड अधिकतम प्रसार पर बूंद की छवि प्रदर्शित करेगा। कैमरे को ठीक से कैलिब्रेट करने में विफलता गलत छवि प्रसंस्करण का कारण बन सकती है। यदि आवश्यक हो, तो छवि प्रसंस्करण सफल होने तक अंशांकन दोहराएं।
    4. इस बैच में सभी प्रयोगों का संचालन करने के लिए आवश्यक सुई की ऊंचाई को समायोजित करते हुए धाराओं 2.3 और 2.4 को दोहराएं।
      नोट: प्रत्येक प्रयोगात्मक फ़ोल्डर में अब .mat फ़ाइलों की एक श्रृंखला होगी। इन फ़ाइलों में छवि प्रसंस्करण सॉफ्टवेयर द्वारा निकाले गए डेटा होते हैं और भविष्य के विश्लेषण के लिए सहेजे जाते हैं, जिसमें प्रत्येक फ्रेम के लिए ड्रॉप आउटलाइन, क्षेत्र, बाउंडिंग बॉक्स और परिधि शामिल हैं।

3. कच्चे डेटा का विश्लेषण

  1. इमेज एनालिसिस जीयूआई में रॉ प्रोसेस्ड डेटा से मेन वेरिएबल्स की कैलकुलेशन शुरू करने के लिए प्रोसेस डेटा बटन पर क्लिक करें। यदि इसे प्रायोगिक सत्र के बाद चलाया जाता है, तो उपयोगकर्ता को प्रक्रिया करने के लिए प्रयोगों के बैच वाले फ़ोल्डर का चयन करने के लिए प्रेरित किया जाएगा।
  2. प्रेरित के रूप में चार मूल्यों दर्ज करें: 1) रिकॉर्डिंग की फ्रेम दर (fps), 2) तरल पदार्थ घनत्व (kg/m3),3) तरल पदार्थ की सतह तनाव (एन/एम), और 4) तरल पदार्थ चिपचिपाहट (Pa's) ।
    नोट: सॉफ्टवेयर 9,300 एफपीएस की फ्रेम दर और परिवेश की स्थितियों में पानी के तरल गुणों के लिए चूक करता है। दर्ज किए गए मूल्यों का उपयोग वेबर और रेनॉल्ड्स नंबरों की गणना करने के लिए किया जाता है।
  3. videofolders.mat फ़ाइल में डेटा सहेजें और एक .csv फ़ाइल के रूप में निर्यात करते हैं ।
    नोट: कोड फ़ाइल को एक ही प्रयोग के लिए prop_data.चटाई लोड करेगा, ड्रॉपलेट केंद्र की स्थिति की गणना करेगा, प्रभाव फ्रेम (बूंद केंद्र में गिरावट से पहले अंतिम फ्रेम के रूप में परिभाषित) ढूंढेगा, और जिस फ्रेम में बूंद का क्षैतिज प्रसार अधिकतम होता है। बचाया गया आउटपुट डेटा प्रभाव वेग होगा (एक 1सेंट ऑर्डर पॉलीनोमियल फिट का उपयोग करके समय के एक समारोह के रूप में बूंद केंद्र की ऊर्ध्वाधर स्थिति के लिए फिट), बूंद के बराबर व्यास (बूंद की मात्रा को खोजने के लिए जेड धुरी के बारे में घूर्णन समरूपता संभालकर गणना की जाती है, फिर उस मात्रा36के साथ एक क्षेत्र का व्यास ढूंढना), अधिकतम प्रसार पर बूंद व्यास, और प्रभाव वेबर और रेनॉल्ड्स संख्या।

Representative Results

पिक्सल में छवियों से मिलीमीटर तक मापी गई दूरियों का रूपांतरण एक ज्ञात संदर्भ वर्ग के उपयोग के साथ प्राप्त किया जाता है। इस वर्ग को कैमरे के एफओवी में अबाधित होना चाहिए, और ध्यान में(चित्रा 2ए)। संदर्भ वर्ग(चित्रा 2बी)का गलत ध्यान गणना किए गए चरों में एक व्यवस्थित त्रुटि का उत्पादन करेगा, उदाहरण के लिए, वेग। रूपांतरण कारक की गणना में त्रुटि को कम करने के लिए संदर्भ वर्ग को यथासंभव एफओवी को कवर करना चाहिए। कैमरे की संकल्प सीमा को देखते हुए वर्ग की साइड लेंथ को यथासंभव उच्च सटीकता के रूप में जाना जाना चाहिए।

बूंद पहचान सॉफ्टवेयर नमूने की सतह पर निर्भर करता है कैमरे के लिए क्षैतिज प्रस्तुत किया जा रहा है, के रूप में चित्रा 2सीमें दिखाया गया है । सतहों कि तुला या खराब हल कर रहे है(चित्रा 2डी)छवि प्रसंस्करण त्रुटियों का उत्पादन होगा । सॉफ्टवेयर का उपयोग फ्लैट सतहों को प्रभावित करने वाली बूंदों का विश्लेषण करने के लिए किया जा सकता है जो क्षैतिज नहीं हैं, जब तक कि सतह का किनारा पृष्ठभूमि के खिलाफ एक तेज विपरीत पैदा करता है।

यह सुनिश्चित करने के लिए कि पूरे बूंद प्रसार सॉफ्टवेयर द्वारा ट्रैक किया जाता है बूंद नमूना(चित्रा 2ई)के केंद्र में भूमि चाहिए। यदि सिस्टम गलत तरीके से गठबंधन किया गया है, तो बूंद केंद्र की स्थिति से बहाव कर सकती है, और ध्यान से बाहर हो जाएगी(चित्रा 2एफ)। यदि बूंद ध्यान से बाहर है गणना आकार गलत होगा । यह प्रभाव अक्सर सुई को सतह से दूर ले जाने के लिए उपयोग की जाने वाली प्रणाली के खराब संरेखण के कारण होता है, जो ऊंचाई के एक समारोह के रूप में प्रभाव स्थान में बहाव का उत्पादन करेगा। यह सुझाव दिया जाता है कि उपयोगकर्ता समानांतर और लंबवत संरेखण सुनिश्चित करने के लिए एक ऑप्टिकल ब्रेडबोर्ड सिस्टम (या इसी तरह) लागू करता है।

यह सुनिश्चित करने के लिए कि प्रभावित बूंद के छविदार किनारों तेज दिखाई देते हैं, यह सुझाव दिया जाता है कि उपलब्ध प्रकाश स्रोत के साथ संभव सबसे कम जोखिम समय का उपयोग किया जाना चाहिए(चित्र ा 2जी)। कैमरे के सापेक्ष रोशनी पथ के गलत संरेखण से अक्सर कैमरा अपर्चर और एक्सपोजर समय जैसी अन्य सेटिंग्स का समायोजन होता है। यह यात्रा बूंद के लिए एक फजी बढ़त पैदा करता है(चित्रा 2एच)

Figure 2
चित्रा 2: सिस्टम के गलत अंशांकन के साथ आम मुद्दे। (A)अंशांकन वर्ग सही ढंग से गठबंधन और केंद्रित। (ख)अंशांकन वर्ग ध्यान से बाहर, गलत अंशांकन कारक का उत्पादन । (ग)नमूना सतह क्षैतिज है और नमूना सतह और पृष्ठभूमि के बीच एक उच्च विपरीत प्रदान करता है । (डी)नमूना कैमरे के कोण पर है, जो चिंतनशील सतह का उत्पादन करता है। (ई)फोकस के विमान में नमूने के केंद्र में बूंद भूमि। (एफ)ड्रॉपलेट केंद्र से उतरता है और उपयोग किए जाने वाले व्यापक एपर्चर के कारण ध्यान में नहीं है। (जी)एक बूंद को कम एक्सपोजर टाइम (10 μs) के कारण तेज किनारों के साथ इमेज किया जाता है। (एच)उप-इष्टतम प्रकाश व्यवस्था और एक लंबा एक्सपोजर समय (99 μs) गति धुंधला उत्पादन करता है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

नमूने की गलत रोशनी और संरेखण दर्ज छवियों में चकाचौंध और छाया का उत्पादन कर सकता है। ये अक्सर छवि प्रसंस्करण चरणों में कलाकृतियों का उत्पादन करते हैं, जो एकत्र किए गए अच्छी गुणवत्ता वाले डेटा बिंदुओं की संख्या को कम कर सकते हैं। यदि रोशनी पथ क्षैतिज रूप से गठबंधन नहीं किया जाता है तो पारदर्शी तरल पदार्थों के लिए चकाचौंध आम है। सॉफ्टवेयर वीडियो छवियों(चित्र 3A)में बूंद की पूरी रूपरेखा का पता लगाने में सक्षम होना चाहिए । यदि ट्रेस पूरा नहीं होता है, तो प्रसारित बूंद की लंबाई जैसे मापा मूल्य गलत होंगे(चित्रा 3B)।

Figure 3
चित्रा 3: वीडियो फ्रेम संख्या (प्रभाव फ्रेम = 0) के एक समारोह के रूप में एक प्रभावित बूंद की लंबाई। प्रत्येक नीला डेटा पॉइंट इनसेट छवियों से मेल खाता है। (A)सही रोशनी सॉफ्टवेयर को बूंद (येलो लाइन) की पूरी रूपरेखा का पता लगाने की अनुमति देती है। संपर्क बिंदु (हरे क्रॉस) की सही पहचान की जाती है, और स्प्रेइंग ड्रॉपलेट की रिकॉर्ड की गई लंबाई फ्रेम नंबर का एक चिकनी कार्य है। (ख)खराब रोशनी तरल पर चकाचौंध पैदा करती है और बूंद के बाएं किनारे का सही पता नहीं लगाया जाता है । फैलने वाली बूंद की रिकॉर्ड की गई लंबाई डेटा में अशुद्धियों को दर्शाती है । कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

सप्लीमेंट्री कोडिंग फाइल। कृपया इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए यहां क्लिक करें।

Discussion

यह विधि सिस्टम के कई हिस्सों की स्थिति और संरेखण के नियंत्रण पर निर्भर करती है। इस विधि का उपयोग करने के लिए एक न्यूनतम आवश्यकता नमूना, कैमरा और रोशनी एलईडी संरेखित करने की क्षमता है। कैमरा सेंसर के लिए प्रकाश स्रोत का गलत संरेखण एक आम मुद्दा है। यदि प्रकाश पथ एक कोण पर कैमरे में प्रवेश करता है, अवांछित कलाकृतियों का उत्पादन कर रहे है और छवि प्रसंस्करण में बाधा । उपयोगकर्ता को एलईडी और कैमरा सेंसर के बीच एक लगभग सही क्षैतिज रोशनी पथ प्राप्त करने का लक्ष्य रखना चाहिए। सटीक पोजिशनिंग नियंत्रण (जैसे, माइक्रोमीटर चरण) विधि के इस पहलू के लिए सहायक होते हैं।

लेंस का चुनाव प्रयोग के लिए आवश्यक एफओवी पर निर्भर है। यद्यपि आमतौर पर उपलब्ध वेरिएबल ज़ूम लेंस सिस्टम को फ्लाई पर अनुकूलित करने की अनुमति देते हैं, वे अक्सर अन्य मुद्दों से पीड़ित होते हैं। वेरिएबल ज़ूम लेंस का उपयोग करते हैं, तो उपयोगकर्ता को यह सुनिश्चित करना होगा कि प्रयोगों के बैच के दौरान कुल आवर्धन नहीं बदलता है (एक बार सिस्टम कैलिब्रेट होने के बाद, प्रोटोकॉल सेक्शन 1)। फिक्स्ड आवर्धन लेंस का उपयोग करके इस समस्या से बचा जा सकता है। आवर्धन तय होने के साथ, नमूने के सापेक्ष कैमरे को स्थानांतरित करके किसी भी प्रकार के लेंस के फोकल प्लेन की स्थिति को बदला जा सकता है।

सिस्टम को संरेखित करते समय नमूनों की जांच की जानी चाहिए उसी मोटाई के खाली नमूने का उपयोग करने की सलाह दी जाती है। यह प्रयोगों से पहले ब्याज के नमूनों को क्षतिग्रस्त या गीला होने से रोकता है। यदि प्रयोगों के एक बैच के दौरान नमूना मोटाई बदलता है, तो सिस्टम को जेड दिशा में फिर से संगठित करने की आवश्यकता है।

हालांकि आवश्यक नहीं है, कंप्यूटर नियंत्रित सुई स्थिति प्रणाली के अलावा काफी गति और विधि के संकल्प में वृद्धि कर सकते हैं । आमतौर पर उपलब्ध स्टेपपर मोटर रेल सिस्टम का उपयोग किया जा सकता है जो माइक्रोमीटर सटीकता के साथ सुई की स्थिति के लिए अनुमति देते हैं। सुई का डिजिटल नियंत्रण भी उपयोगकर्ता को अधिक सटीकता के साथ सतह के सापेक्ष ऊंचाई को शून्य करने की अनुमति देता है। यह अतिरिक्त कदम यह सुनिश्चित करता है कि एक नई प्रयोगशाला सत्र की शुरुआत में प्रायोगिक सेटअप को सही ढंग से बहाल किया जा सकता है।

यह सलाह दी जाती है कि उपयोगकर्ता हाई-स्पीड कैमरे के लिए नियंत्रण सॉफ्टवेयर का उपयोग करना सीखता है। अधिकांश आधुनिक सिस्टम एक छवि ट्रिगर का उपयोग कर सकते हैं। यह विधि परिवर्तनके लिए एफओवी के क्षेत्र की निगरानी के लिए कैमरे के आंतरिक हाई-स्पीड इलेक्ट्रॉनिक्स का उपयोग करती है। यदि सावधानी से कैलिब्रेट किया जाता है, तो इसका उपयोग कैमरे को स्वचालित रूप से ट्रिगर करने के लिए किया जा सकता है क्योंकि बूंद सतह को प्रभावित करती है। यह विधि वीडियो रिकॉर्ड होने के बाद फसल के लिए वीडियो के सही फ्रेम खोजने में बिताए गए समय को कम कर देता है।

दिशात्मक रूप से निर्भर घटनाओं के विश्लेषण के लिए एक से अधिक कैमरे का उपयोग करने के लिए इस विधि का विस्तार किया जा सकता है। कई कैमरों का उपयोग करते हैं, तो यह सलाह दी जाती है कि उपयोगकर्ता हार्डवेयर ट्रिगर और सिंकिंग का उपयोग करता है। अधिकांश हाई-स्पीड कैमरा सिस्टम एक ही फ्रेम दर पर रिकॉर्ड करने के लिए कई कैमरों के सिंकिंग की अनुमति देते हैं। एक साझा हार्डवेयर ट्रिगर (जैसे, ट्रांजिस्टर-ट्रांजिस्टर तर्क [टीटीएल] पल्स) का उपयोग करके, उपयोगकर्ता एक ही प्रयोग के एक साथ विचारों को रिकॉर्ड कर सकता है। इस विधि को दो अलग-अलग आवर्धन पर एक ही घटना को रिकॉर्ड करने के लिए आगे अनुकूलित किया जा सकता है।

इस प्रोटोकॉल का उद्देश्य सतहों को प्रभावित करने वाली बूंदों के लिए उच्च गति वाले वीडियो डेटा के तेजी से संग्रह और प्रसंस्करण को सक्षम करना है। जैसा कि प्रदर्शन किया गया है, यह प्रभाव स्थितियों की एक श्रृंखला पर बहुमुखी है। विश्लेषण कोड में अपेक्षाकृत मामूली परिवर्तन के साथ, इसे आगे डेटा (जैसे, समय निर्भरता और छिड़काव प्रोफाइल) प्रदान करने या विभिन्न प्रभाव ज्यामिति का अध्ययन करने के लिए बढ़ाया जा सकता है। इसके अलावा सुधार ों में ब्याज के प्रमुख फ्रेम को शामिल करने के लिए वीडियो की स्वचालित फसल शामिल हो सकती है। सुई ऊंचाई के स्वचालन के साथ यह कदम, बैच वीडियो को पूरी तरह से स्वचालित फैशन में एकत्र करने की अनुमति देगा, केवल उपयोगकर्ता को प्रभावों के बीच नमूना बदलने की आवश्यकता होगी।

Disclosures

लेखकों के पास खुलासा करने के लिए कुछ नहीं है ।

Acknowledgments

इस काम को न्यूजीलैंड की रॉयल सोसायटी द्वारा प्रशासित मार्सडन फंड द्वारा समर्थित किया गया था।

Materials

Name Company Catalog Number Comments
24 gauge blunt tip needle Sigma Aldrich CAD7930
4 x 4 mm alignment square (chrome on glass) Made in-house using lithography.
5 ml syringe ~ ~ Should be compatible with syringe pump. Leur lock connectors join the syringe to the needle.
Aspheric condenser lens Thor Labs ACL5040U Determines beam width, which should cover the field of view.
Cat 5e ethernet cable ~ ~ A fast data connection between the high-speed camera and PC, suitable for Photron cameras.
Droplet impact analysis software ~ ~ Provided as Supplementary Coding File. Outline data are stored in .mat files. Calculations are output as .csv files.
Front surface high-power LED Luminus CBT-40-G-C21-JE201 LED Separate power supply should be DC to avoid flickering.
High-speed camera Photron Photron SA5 Typically operated at ~10,000 fps for drop impacts.
High-speed camera software Photron Photron Fastcam Viewer Protocol assumes camera has an end trigger; that movie files can be saved in .avi format, and screenshots in .tif format, to a designated folder; and that movies can be cropped.
Linear translation stages Thor Labs DTS25/M Used to position the LED, sample and camera.
Macro F-mount camera lens Nikon Nikkor 105mm f/2.8 Lens Choice of lens determines field of view.
PC running Matlab 2018b Matlab ~ PC processing power and RAM can effect protocol speed and hence efficiency.
Polydimethylsiloxane (PDMS) Dow SYLGARD™ 184 Silicone Elastomer Substrates made using a 10:1 (monomer:cross-linker) ratio.
PTFE tubing ~ ~
Syringe pump Pump Systems Inc NE-1000 Protocol assumes this can be set to dispense a specific volume.

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तरल बूंद प्रभावों का उच्च थ्रूपुट विश्लेषण
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Broom, M. A. J., Willmott, G. R. High Throughput Analysis of Liquid Droplet Impacts. J. Vis. Exp. (157), e60778, doi:10.3791/60778 (2020).More

Broom, M. A. J., Willmott, G. R. High Throughput Analysis of Liquid Droplet Impacts. J. Vis. Exp. (157), e60778, doi:10.3791/60778 (2020).

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