高压高温条件下集成式静态与动态接触角测量系统的设计与验证

《IEEE Open Journal of Instrumentation and Measurement》：Integrated System for Multi-Technique Contact Angle Measurements under Pressure and Temperature Control

　　

摘要：

精确而可靠的接触角测量对于表征科学和工程应用中表面润湿性及固-液界面现象至关重要。然而，大多数高压高温（HPHT）接触角测量仪器仅限于静态测量，而倾斜板分析等动态技术（具备可控旋转功能）仍局限于常压条件。本工作提出了一种集成测量系统，能够在受控的压力和温度下，利用悬滴法、截留气泡法和连续旋转倾斜板法同时实现静态与动态接触角测量。该系统集成了设计工作压力可达50 MPa的钛合金测量腔体，以及最高可达300°C的加热系统。系统还配备了一套基于MATLAB的图像分析框架，确保在所有方法中实现一致的轮廓提取、接触点检测和接触角计算，从而实现不同方法之间的直接比较，减少操作者依赖性的变异，并提高可重复性。使用1600个合成液滴轮廓对算法性能进行了测试，接触角范围覆盖5°至173°。Bland-Altman分析表明，计算所得接触角与已知基准值之间具有高度一致性。利用包含具有预定义几何形状的嵌入式液滴的3D打印参考基底对测量精度和系统鲁棒性进行了评估。按照《测量不确定度表示指南》（GUM）进行的不确定度分析得出，在约95%置信水平下，扩展不确定度为U = 4.00°。在压力高达10 MPa、温度高达110°C的条件下，使用石英表面的水-N?系统进行实验验证，确认了所有方法均具有稳定且可重复的性能。所提出的系统为HPHT条件下的静态和动态润湿性表征提供了一个统一的经验证平台……

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