Brevet FR2681692A1 — publié le 19930326

CAPTEUR DE MESURE DE TENSION SUPERFICIELLE L'invention concerne un dispositif de mesure de tension superficielle d'un liquide, et concerne plus particulièrement la mesure de tension superficielle d'un écoulement liquide sur un plan horizontal ou légèrement incliné. Ce dispositif selon l'invention est particulièrement adapté pour la mesure de tension superficielle d'une émulsion photographique sur le plan incliné d'un dispositif de couchage, ou d'une solution de tensioactifs. Selon une technique connue, dite technique de WILHELMY, on mesure la tension superficielle d'un liquide au repos au moyen d'une lame de platine très mince et rectangulaire traversant la surface à étudier. La lame de platine est suspendue au bout d'un fil et est amenée au contact de la surface du liquide. La Figure 1 à laquelle on fait maintenant référence, illustre de manière schématique un dispositif mettant en oeuvre la technique dite de WILHELMY. Le dispositif se compose d'une lame de platine 1 dont les dimensions, à titre d'exemple, peuvent être de 2 cm de large, 1 cm de hauteur, et 0,01 cm d'épaisseur. Cette lame est reliée à une balance 2 ou une jauge de force par l'intermédiaire d'un fil 3. Résumons brièvement la théorie qui régit le fonctionnement d'un tel capteur de mesure de tension superficielle. Lorsque l'on plonge une lame de platine 1 parfaitement mouillable dans un liquide 4, cette lame est soumise aux forces capillaires S et à la poussée d'Archimède PA. La poussée d'Archimède correspond au volume immergé par masse volumique. Dans le cas d'une mesure classique de tension superficielle d'un liquide au repos, la hauteur d'immersion de la lame est nulle ; la force PA est donc nulle. Pour extraire cette lame du liquide, il faut exercer une force verticale f orientée vers l'extérieur, proportionnelle au périmètre de la lame et à la tension superficielle du liquide a. Ce dernier paramètre dépend du liquide, et est constant pour un liquide pur, pour une température donnée. Pour des solutions de surfactant, ce paramètre dépend de la concentration et de l'age de la surface. L'équation qui régit l'équilibre des forces est la suivante F = S - PA (1) avec S = a.L. cos e = m.g (2) dans laquelle : - e est l'angle de mouillage liquide/solide. Pour un capteur parfaitement mouillable, l'angle de mouillage solide/liquide est égal à zéro. On a donc cos e = 1 - m est la masse de compensation du déséquilibre en grammes - g est l t accélération de la pesenteur 9,81. 10 3 nus - a est la tension superficielle en dyn. cml - L est la longueur en cm sur laquelle est accroché le ménisque, c'est-à-dire le périmètre de la partie de la lame en contact avec le liquide. On a donc m. g m.g a = L. cos e L Cette technique est parfaitement satisfaisante lorsqu'il s'agit de mesurer la tension superficielle d'un liquide au repos mais pose des problèmes pour la mesure de tensions superficielles d'un écoulement sur un plan horizontal ou légèrement incliné, les mesures étant en effet faussées par la force de trainée qui agit sur la lame. Ceci a été démontré dans un Article de R. DEFAY et J. HOMMELEN publié dans le journal de l'industrie chimique Belge (23, juin 1958 Page 597-614). A la page 602 de cet Article, au S 6, il est mentionné que les forces de portance et de trainée ont toujours été trop importantes pour pouvoir envisager une mesure même approximative de la tension superficielle Selon une autre méthode connue, et pour laquelle les mêmes problèmes se posent, on a remplacé la lame rectangulaire par un anneau. C'est donc un objet de la présente invention que de fournir un dispositif permettant de mesurer la tension superficielle d'un liquide, particulièrement adapté pour un écoulement sur un plan horizontal ou légèrement incliné. D'autres objets de la présente invention apparaitront au cours de la description détaillée qui suit. Les objets de la présente invention sont atteints au moyen d'un appareil de mesure de tension superficielle d'un écoulement liquide comprenant un moyen permettant de mesurer une force, et une sonde que l'on amène au contact du liquide, ladite sonde étant accrochée au moyen de mesure de la force par un organe approprié, ledit appareil étant caractérisé en ce que la sonde, au moins dans sa partie en contact avec le liquide, est constituée d'un cylindre mouillable dont la circonférence de la section ne présente aucune portion concave et dont la distance entre l'isobarycentre de la section et n'importe quel point de la circonférence est inférieure à 3 mm, le rapport entre la distance maximale d'un point de la circonférence à l'isobarycentre et la distance minimale d'un point de ladite circonférence à l'isobarycentre étant inférieur ou égal à 2. Selon un mode de réalisation, la sonde est constituée d'un cylindre de révolution. Avantageusement le diamètre du cylindre est inférieur ou égal à 5 mm, et de préférence, de l'ordre de 1 mm. Selon une autre variante de la présente invention, la sonde est constituée d'un fil de platine. Au cours de la description détaillée qui suit, il sera fait référence au dessin dans lequel - la figure 1 représente un dispositif de mesure de tension superficielle, tel que décrit dans la technique antérieure ; - la figure 2 représente un dispositif de mesure de tension superficielle selon la présente invention ; et - les figures 3A - 3B représentent deux modes de réalisation d'une sonde de mesure, telle qu'utilisée dans la présente invention. Selon la présente invention, le dispositif de mesure de la tension superficielle, représenté en Figure 2, se compose principalement d'un moyen 5 apte à mesurer une force dont l'amplitude est relativement faible et peut varier à titre d'exemple entre 5,10 5 et et 30.10 5 N. Selon un mode de réalisation, ce dispositif de mesure est constitué d'une balance électronique du type Cahn 2000 ou d'un capteur de force traditionnel du type Schenck &commat; .Ces dispositifs sont biens connus de la technique et ne nécessitent pas de description plus détaillée. Le dispositif comprend également une sonde de mesure 6 accrochée au capteur de force 5 et que l'on amène au contact d'un liquide 9 s'écoulant sur un plan 7 qui, selon le mode de réalisation représenté est légèrement incliné de préférence, l'inclinaison est inférieure à 450. De bons résultats ont été obtenus pour un angle d'inclinaison inférieur à 20 . Il est évident qu'un tel dispositif trouve également son application dans la mesure de la tension superficielle d'un liquide en mouvement sur un plan horizontal. Tel est le cas lorsque l'on mesure la tension superficielle d'une émulsion photographique lors de son enduction sur une bande en mouvement. La sonde de mesure 6 selon la présente invention est constituée d'un cylindre mouillable qui, au moins dans sa partie en contact avec le liquide, est tel que la circonférence de sa section ne présente aucune portion concave et tel que la distance entre l'isobarycentre de la section et n'importe quel point de la circonférence est inférieure à 3 mm, le rapport entre la distance maximale d'un point de la circonférence à l'isobarycentre et la distance minimale d'un point de ladite circonférence à l'isobarycentre étant inférieur ou égal à 2. Avantageusement, la sonde est constituée d'un cylindre de révolution dont le diamètre est inférieur ou égal à 5 mm et, de préférence, de l'ordre de 1 mm. En réalité, il est préférable que le cylindre présente un axe de symétrie par rapport à l'écoulement du liquide. Ceci facilite en effet la mesure (réduit le bruit) et réduit au minimum les forces de trainée. Ce point sera développé plus en détail par la suite. Etudions maintenant un tel dispositif du point de vue des forces mesurées. La force F enregistrée par le capteur de forces, dans le cas d'un plan incliné d'un angle a par rapport à l'horizontale, comprend trois composantes principales : une force correspondant à la composante, selon l'axe de la sonde, de la force Fs dûe à la tension superficielle ; une force représentant la composante selon l'axe de la sonde de la force FD de trainée dûe à l'écoulement du liquide ; une force correspondant à la composante, selon l'axe de la sonde, de la force FL due à la poussée d'Archimède. A l'équilibre, on a F = Fs cos a + FD sin a - FL cos a La force FL, directement liée à la poussée (portance), est perpendiculaire à la vitesse d'écoulement et est proportionelle au volume immergé ainsi qu'à la vitesse d' écoulement. Dans nos mesures, on considère que le volume immergé est négligeable et donc que FL est également négligeable. Quant à la force de trainée, celle ci dépend de la section de la sonde, mais également de la viscosité du liquide et de la vitesse superficielle du liquide. Dans le cas d'un solide cylindrique de rayon r, amené au contact d'un fluide ayant une vitesse superficielle V, la valeur de la force FD relative à la résistance à l'écoulement d'un solide (en raison de la différence de pression entre l'avant et l'arrière du solide) dans un milieu fluide incompréssible, est donnée par la relation dans laquelle est la masse volumique S est la surface du maitre-couple, c'est-à-dire la surface de la projection du solide sur un plan perpendiculaire à la vitesse ; V est la vitesse superficielle du liquide C est le coefficient de forme et dépend de la viscosité du fluide, de la forme du solide et de la vitesse du fluide. Cette valeur de C dépend du nombre de reynolds pour des formes géométriques simples. Dans le cas d'un cylindre de révolution, de diamètre 2r dans un liquide dont la vitesse est normale à ses génératrices, la valeur de C = 1,2 lorsque le nombre de reynolds R varie de 50 à 200 000 ; le nombre de reynolds étant égal au rapport du débit sur la viscosité est la viscosité du fluide. Dans le cas où r = 0,1 cm ; V = 20 cm.s Ç = 1 ; = lp, on a R = 200 ; C = 1,2 et FD = 7,5.10-5 N Dans l'hypothèse où le plan d'écoulement du fluide est incliné de 150, la composante selon l'axe de la sonde, de la force de trainée est de 7,5. sin 15 ; soit 0,25.10-5 N. La force mesurée par le capteur variant entre et 30.10-5 5 N, on peut considérer que la force de trainée est négligeable. La force F mesurée par le capteur peut donc être considérée comme étant uniquement la résultante de la force de tension superficielle, c'est-à-dire F = Fs. cos a = a. 2r. cos a = a. 2r cos a dans laquelle a est la tension superficielle à mesurer, le facteur cos a du dénominateur étant lié au fait que, sur un plan incliné d'un angle a, le périmètre mouillé d'un cylindre de révolution forme une ellipse et non un cercle. F soit a =. 2 irr Avantageusement, la force de tension superficielle est mesurée lors de la mise en contact de la sonde avec le liquide. Selon un mode de réalisation, la sonde selon la présente invention est constituée d'un fil de platine dont le diamètre est de 1 mm. La surface latérale de l'extrémité de la sonde en contact avec le liquide doit être finement dépolie, par exemple par sablage doux, afin d'obtenir une rugosité permettant un mouillage parfait de la sonde. La figure 3A représente un mode de réalisation de la sonde selon la présente invention. Celle ci comporte en l'une de ses extrémités, un crochet 10 permettant d'accrocher la sonde 12 à une balance de précision. De même, il est préférable de disposer sur la sonde, une masselotte 11 à environ 1 cm de l'extrémité de la sonde en contact avec le liquide. Cette masselotte 11 permet de stabiliser plus rapidement la sonde dans un milieu perturbé. L'extrémité de la sonde en contact avec le liquide est dépolie sur une longueur d'environ 1 cm. Dans le mode de réalisation de la figure 2, une des extrémités de la sonde 14 comporte une sphère d'accrochage 13 de la sonde à un capteur de force. De même, pour des raisons de stabilité, il est préférable que la vitesse d'écoulement du fluide soit inférieure à 30 m/mn. D'autres matériaux peuvent également être parfaitement appropriés pour réaliser la sonde selon la présente invention . A titre d'exemple, on, peut citer l'acier inoxydable ou le plastique ; ces matériaux pouvant être rendus parfaitement mouillables, par exemple, en les dépolissant par sablage doux, au moins pour l'extrémité de la sonde en contact avec le liquide. Même si dans le mode de réalisation préférentiel mentionné dans la description, la sonde est constituée d'un cylindre de révolution, il est évident que d'autres formes peuvent être envisagées. A titre d'exemple, la sonde peut être de forme triangulaire, héxagonale ou carrée. Le dispositif selon l'invention est particulièrement adapté à la mesure de tension superficielle de solutions aqueuses de surfactants en écoulement pour lesquels la tension superficielle, contrairement aux liquides organiques purs, dépend de l'âge de la surface et de la vitesse de diffusion du surfactant vers la surface libre (à une température donnée). En particulier un tel dispositif est parfaitement adapté pour les études relatives aux propriétés dynamiques des surfactants, et, par extension, pour tout dispositif de couchage tel que les dispositifs de couchage photographique. REVENDICATIONS 1 - Appareil de mesure de la tension superficielle d'un écoulement liquide comprenant un moyen permettant de mesurer une force et une sonde que l'on amène au contact du liquide, ladite sonde étant accrochée au moyen de mesure de la force par un organe approprié, ledit appareil étant caractérisé en ce que la sonde, au moins dans sa partie en contact avec le liquide, est constituée d'un cylindre mouillable dont la circonférence de la section ne présente aucune portion concave et dont la distance entre l'isobarycentre de la section et n'importe quel point de la circonférence est inférieure à 3mm, le rapport entre la distance maximale d'un point de la circonférence à l'isobarycentre et la distance minimale d'un point de ladite circonférence à l'isobarycentre étant inférieur ou égal à 2. 2 - Apareil selon la revendication 1, dans lequel la sonde est constituée d'un cylindre de révolution de diamètre inférieur ou égal à 5mm. 3 - Appareil selon la revendication 2, dans lequel le diamètre de la sonde est de l'ordre de 1 mm. 4 - Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la sonde est constituée d'un cylindre de platine. 5 - Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le moyen permettant de mesurer la force est constitué d'une balance de force. 6 - Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que la sonde est pourvue d'une masselotte de lestage disposée à environ 1 cm de l'extrémité de la sonde au contact avec le liquide. 7 - Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le moyen permettant de mesurer la force consiste en un capteur de force. 8 - Appareil selon l'une quelconque. des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'extrémité de la sonde en contact avec le liquide est dépolie par sablage doux. 9 - Sonde de mesure de la tension superficielle d'un écoulement liquide caractérisée en ce que ladite sonde est constituée, au moins dans sa partie en contact avec le liquide, d'un cylindre mouillable dont la circonférence de la section ne présente aucune portion concave et dont la distance entre l'isobarycentre de la section et n'importe quel point de la circonférence est inférieure à 3 mm, le rapport entre la distance maximale d'un point de la circonférence à l'isobarycentre et la distance minimale d'un point de ladite circonférence à l'isobarycentre étant inférieur ou égal à 2. 10 - Sonde de mesure selon la revendication 9, caractérisée en ce qu'elle est constituée d'un cylindre de révolution de diamètre inférieur ou égal à 5 mm. 11 - Sonde de mesure selon la revendication 10, caractérisée en ce que son diamètre est de l'ordre de 1 mm. 12 - Sonde de mesure selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisée en ce qu'elle est constituée d'un cylindre de platine. 13 - Sonde de mesure selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisée en ce qu'elle est constituée d'un cylindre en acier inoxydable. 14 - Sonde de mesure selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisée en ce qu'elle est constituée d'un cylindre de plastique. 15 - Sonde de mesure selon l'une quelconque des revendications 9 à 14, caractérisée en ce qu'elle est rendue mouillable par sablage doux.