光纤、电容液滴分析仪(一):原理与实验

　　1　引　　言

　　1.1　液滴分析技术概述

　　液滴分析技术是随着人们对可持续发展战略和保护生态环境的重视而逐步发展起来的,它是指在一定测试系统条件下,在被测液体形成液滴的过程中,采用各种手段对被测液滴实施监测,以获得有关该被测液体的物理、化学特性参数,对液体进行定性和量化识别的技术。

　　与其它仪器分析方法相比较,液滴分析技术主要有以下几个特点:

　　第一,利用液滴分析技术只需要通过监测被测液体的液滴生长过程就可以直接或间接地同时测出液体的多种物理、化学特性参数,如:表面张力、折射率、浓度、黏度、吸光度、浑浊度、颜色、蒸发率、液体的化学成分和有关的液体电特性参数。如果采用传统的仪器分析方法,如电分析法、光谱分析法或分离分析法,则需要分别使用多种仪器,而且得到的数据相关性也不好,有的装置还很复杂,价格昂贵,使用不方便。

　　第二,运用液滴分析技术得到的“液滴指纹图”,可以作为鉴别两种液体细微差别的依据,由此可以用来鉴别液体的真伪,如:假酒、假药和假饮料等。

　　第三,液滴分析技术容易实现在线监测,可以用来监控液体生产的工艺环节。

　　第四,液滴分析方法无需任何化学试剂,不发生化学反应,因此没有二次污染问题,是一条设计“绿色仪器”的理想技术路线。

　　上述优点使得液滴分析技术在海洋污染监测、水资源保护、制药工艺、食品饮料及工业用液等所有涉及液体检测的领域中显现出十分广阔的应用前景。

　　1.2　光纤、电容液滴分析技术

　　早在一个世纪以前,Tait和Rayleigh首次提出“液滴体积原理”,即液体的液滴体积大小包含了该液体的各种物理、化学特性[1～2]。此后,人们通过对液体表面物理化学现象的研究,进一步奠定了液滴分析技术的理论基础,即在一定条件下(压力,温度等),液滴的形状、体积以及生成过程,都是由液体本身所特有的性质决定的;测量液滴体积和监测液体的液滴形成过程,可以获得该液体的某些物理、化学参数。

　　1992年,爱尔兰的McMillan博士等人提出了光纤液滴分析的实验方法(FDA:Fiber Drop Analyzer)[3],其原理是通过两根插入液滴的光纤分别将光导入液滴和获取经过液滴反射、吸收后的光信号,由此得到接收光强随时间变化的曲线,它反映液体的多种特性且在确定条件下具有唯一性,称为“液滴指纹图”(FDT:FiberDrop Trace)。对于液滴指纹图的研究,例如,在规律机　　械振动情况下信号的变化,以及利用液滴指纹图对液体进行识别等方面,也有相应的报道[4～5]。

　　光纤液滴分析技术是从光学角度出发,在液滴形成过程中获得被测液体的特性,它与液滴体积原理没有直接联系,不能直接测出液滴的体积。天津大学的王春海博士等人于1999年提出了电容液滴分析的方法(CDA:Capacitive Drop Analyzer)[6],由滴头和环形极板构成特殊的电容传感器,将液滴生长过程中的体积变化转变成电容传感器电容量的变化。通过电容液滴分析方法可以获得任意时刻的液滴体积值,其前提是被测液体的介电常数已知或者可以实时测量获得。