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Gerät zur Bestimmung des Randwinkels von Flüssigkeiten durch optische
Winkelmessung Die Bestimmung des Randwinkels von Flüssigkeiten hat technische Bedeutung
(vgl. u. a. Lu n ge-B e r 1, Chemisch-technischeUntersuchungsmethoden, Band 111,
1923, Seite .(.67 u. f., Verlag Springer, Berlin). Eine wichtige Meßmethode
hierfür hat Agnes P ockels beschrieben (Physikalische Zeitschrift, igiq., Seite
3g).
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Nach derselben wird ein Tropfen der zu untersuchenden Flüssigkeit
auf eine Platte aus Glas, Platin o. dgl. gebracht, die auf eine zunächst horizontal
gestellte Leiste gelegt ist. Diese Leiste ist um die Achse eines in Grade geteilten
Quadranten drehbar. Als Lichtquelle dient eine Kerzenflamme mit zwischcngeschalteter
Spaltöffnung. Auge und Lichtquelle werden zunächst so eingestellt, daß das Bild
der letzteren gerade am hinteren Rande des Tropfens erscheint, worauf die Teiste
vorn so weit gehoben wird, bis das Spaltbild in der Platte mit dem Tropfenrande
zusaminenfällt. Während der Drehung wird das Auge des Beobachters mittels einer
Visiervorrichtung in unveränderter Lage gehalten.
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Diese Methode hat u. a. den wichtigen Nachteil, daß der Tropfen bei
der Drehung der Platte dazu neigt, sich fortzubewegen. Benetzt der Tropfen die Unterlage,
was meistens der Fall ist, so vergrößert sich bei der Bewegung des Tropfens die
Berührungsfläche desselben mit der Unterlage, wodurch der Randwinkel verkleinert
wird. Bei leicht flüchtigen Flüssigkeiten tritt sowieso eine zeitliche Abnahme des
Randwinkels infolge Verdunstung ein, wodurch die Meßfehler weiter vergräßert werden.
(Verdunstet z. B. ein Tropfen Benzol, dann nimmt der Randwinkel von 6 ° auf o °
allmählich ab.) Nimmt man aber einen Stoff, der schwer verdunstet, wie z. B. Glycerin,
so, läßt sich die Verkleinerung des Randwinkels durch die bei der Drehung der Platte
entstehende Vergrößerung der Berührungsfläche Tropfen/Unterlage gut beobachten.
Da der auftretende Fehler oft mehrere Grad beträgt, war es wünschenswert, eine Methode
zur Messung des Randwinkels auszubilden, bei der dieser Fehler vermieden ist.
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Nach der vorliegenden Erfindung ist es nicht notwendig, die Unterlage
des Flüssigkeitstropfens überhaupt zu drehen. Man kann sie vielmehr nach geeigneter
Einstellung in dem zur Verwendung kommenden Meßgerät bei der Bestimmung des Randwinkels
unverändert lassen und dafür die an einem schwenkbaren Arm befestigte Lichtquelle
bewegen, wobei man die Lichtquelle um den doppelten Betrag des Randwinkels drehen
muß, um das Bild der Lichtquelle im Flüssigkeitstropfen zum Verschwinden zu bringen.
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Eine Ausführungsform des Meßgerätes im Sinne der Erfindung ist in
Fig. 1a und 1b schematisch dargestellt.
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A ist die feste Unterlage des Flüssigkeitstropfens, B der zu untersuchende
Flüssigkeitstropfen. Die Lichtquelle C (z. B. eine kleine elektrische Lampe in undurchsichtiger
Umhüllung mit Spaltöffnung) ist mit den Tragbügeln D1, D2 starr verbunden. Diese
Tragbügel sind um die Achse Fr, E, vertikal drehbar. Die Unterlage A ist vertikal
verstellbar angeordnet, damit der Flüssigkeitstropfen
in die geometrische
Achse El, E" eingestellt werden kann. Lichtquelle C Y wie Tropfer. B und Visiervorrichtung
F (mit Fadenkreuz, Fernlupe usw. versehen) befinden sich bei der Messung in ein
und derselben Ebene senkrecht zur horizontalen geometrischen Achse El, E2. Der Tragbügel
D1 ist durch den Ansatz G verlängert, der als Zeiger über der Skala H mit Gradeinteilung
spielt. Dadurch kann der Winkel, um den die Lich,-quelle bei der Messung gedreht
werden muß, exakt abgelesen werden. Der Winkel, tun den unter Umständen der Tisch
für die Randwinkelmessung gedreht werden kann, was jedoch in den allermeisten Fällen
nicht notwendig ist, wird mittels des Zeigers J direkt abgelesen.
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Es ist zu beachten, daß bei der Messung des Randwinkels durch die
Bewegung der Lichtquelle diese um den doppelten Betrag des zu messenden Randwinkels
gedreht werden muß. Dadurch wird ein besonderer Vorteil erzielt, weil die Genauigkeit
der Messung nach der vorliegenden Erfindung gegenüber der bekannten Meßmethode doppelt
so groß Ist.
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Die Messung mit dem neuen Gerät wird in folgender Weise ausgeführt:
Nachdem der Rand des zu untersuchenden Flüssigkeitstropfens in die geometrische
Achse E", E2 eingestellt worden ist, wird die Lichtduelle C gegen die feststehende
Visiervorrichtung F so eingestellt, daß das Bild der Lichtquelle auf der spiegelnden
Unterlage gerade am Tropfenrande erscheint. Diese Stellung der Lichtquelle ist in
der Abb. a mit R1 bezeichnet. Der durch den Zeiger G auf denn Quadranten H angezeigte
Winkel (- ß) wird abgelesen. Hierauf dreht man die Lichtquelle, bis das Bild der
Lichtquelle im Tropfen (gerade am Flüssigkeitsrande) zum Verschwindes, kommt. Diese
Stellung der Lichtquelle ist in Abb. a mit R, bezeichnet. Der nunmehr durch den
Zeiger G angezeigte Winkel wird wieder festgestellt. Aus der Differenz der beiden
abgelesenen Winkel ergibt sich der Winkel, um den die Lichtquelle bei der eigentlichen
Randwinkelmessung gedreht worden ist (- y).
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Aus der Abb. z folgt ohne weiteres, daß
| y=2-8 |
| ferner @o - ß + a |
| lind 8 = ß - a ist, woraus folgt, daß |
| y=ß+a-(ß-a) |
| oder y - 2 a ist. |
Der Winkel a wird durch die beiden Mittelsenkrechten begrenzt, von denen die eine
auf der spiegelnden Unterlage, die andere auf der Randfläche des Flüssigkeitstropfen
errichtet ist, und stellt somit den Randwinkel des Tropfens, im Augenblick der Messung
dar.
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Wird aus besonderen Gründen auch die Unterlage, wenn auch nicht um
den ganzen Betrag des Randwinkels, gedreht, so muß der durch den Zeiger J abgelesene
Winkel zu dein durch die Bewegung der Lichtquelle festgestellten halbierten Winkel
sinngemäß zugezählt bzw. von ihm abgezogen werden.
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Das neue Meßgerät erlaubt auch den Flüssigkeitstropfen statt auf einer
festen Unterlage (z. B. einer Glasplatte) auf einer Flüssigkeitsschicht zu untersuchen,
indem die Glasplatte durch einen mit der Flüssigkeit gefüllten Trog ersetzt wird.
Obwohl auch bei dein neuen Gerät die feste Unterlage des Tropfens drehbar eingerichtet
sein kann, soweit dieses eben für besondere Zwecke erwünscht erscheint, besteht
doch das Wesentliche der Erfindung darin, daß hauptsächlich die Lichtquelle um den
doppelten Betrag des Randwinkels bei der Messung bewegt wird, während der Tropfen
in Ruhe bleibt.
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Bei Flüssigkeiten, die die Unterlage wenig benetzen, ist der Randwinkel
recht groß. Dann kann es notwendig sein, daß die Messung z. T. unterhalb der horizontalen
Ebene der festen Unterlage ausgeführt wird, wobei die Unterlage entsprechend eingestellt
wird. In diesem Fall muß der Brechungskoeffizient der festen Unterlage für den durchgehenden
Lichtstrahl berücksichtigt werden. Um diese Komplikation zu vermeiden, kann man
bei schwer benetzenden Flüssigkeiten die Messung auch am hängenden Tropfen ausführen,
wozu das Gerät ebenfalls verwendbar ist.