CN101196478A - 微波传感器检测液滴吸波特性和表面张力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微波传感器技术在物理化学领域中的应用。本发明所述方法由以下步骤组成：一、提供微波与待测液滴的强相互作用区，在此作用区内垂直设置毛细滴管，使毛细滴管末端的液滴在强相互作用区内逐渐长大，最后液滴落下；二、开启计算机和外部电路；三、调节毛细滴管上的阀门，控制液滴缓慢落下的周期，为几十秒到几百秒一滴；四、计算机控制微波信号发生器快速扫频，扫频信号作用后经微波经耦合装置输出进入微波检测器，再通过接口电路进入计算机；五、测量每滴液滴的重量，其信号进入计算机；六、计算机同时处理上述两个接口传来的信号，通过计算同时测量液滴吸波特性和表面张力。

Description

微波传感器检测液滴吸波特性和表面张力的方法

技术领域

本发明涉及微波传感器技术在物理化学领域中的应用，尤其是用于测量液滴物理化学特性的方法。

背景技术

液体表面最基本的特性是倾向于收缩。这表现在当外力的影响很小时小液滴趋于球形，如常见的水银球和荷叶上的水珠那样。液体表面自动收缩的现象是由表面张力引起的，表面张力与液面相切，是液体最基本的物理化学性质之一。测量液体表面张力的方法有毛细升高法、脱环法、滴重法、吊片法、气泡最大压力法和停滴法等。表面张力是液体最基本的物理化学性质之一，研究其测量方法具有重要的科学意义和实用价值。

除表面张力外，液体的吸波特性亦是表征其物理化学性质的重要参数之一，目前测量液体吸波特性的方法有：通过研究电磁波与液体相互作用时发生的反射或透射现象来测量液体吸波特性的频域传输法，是测量液体吸波特性最成熟的方法；通过研究激励脉冲与液体相互作用时发生的反射或透射现象来测量液体吸波特性的时域法，是测量液体吸波特性的较新的方法，它不仅能测量液体的介电特性，亦能测量其磁性特性；噪声相关法是通过将噪声源产生的噪声分为两支路，其中一支路经固定延时后与液体相互作用，另一支路经可变延时器，然后将两支路产生的信号分别通过加法器、平方律器件和积分器后输出，计算出噪声源的自相关函数和两支路的互相关函数，再经过傅立叶变换等相关运算后就能反演液体的吸波特性，目前，这种技术主要用于红外频段，但近年在低频段亦有应用；谐振腔法是通过研究液体引入电磁波谐振腔前后谐振腔谐振频率和品质因素的变化来测量液体吸波特性的，是一种灵敏度极高的测量方法，从低频段到光频段均有广泛的应用。

同时测量液体表面张力及其它特性，并研究其相关性，是液体表面张力测量技术的发展方向，是研究界面化学的基础。

1992年，爱尔兰人McMillan等人发明了一种同时测量液滴表面张力和光特性的光纤滴定仪。1999年，同一发明人发明了一种同时测量液滴表面张力和电特性的电容滴定仪，该仪器测量蒸馏水液滴的体积分辨率为2μL。2006年，同一发明人又改进了电容滴定仪，改进后的仪器测量蒸馏水液滴的体积分辨率为1μL。

目前，上面所介绍的方法和技术已经成熟。然而，用微波传感器同时测量液滴表面张力和吸波特性的方法尚未见报道。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种同时检测液滴表面张力和吸波特性的方法。

本发明所述的微波传感器检测液滴吸波特性和表面张力的方法由以下步骤组成：

一、提供微波与待测液滴的强相互作用区，在此作用区内垂直设置毛细滴管，使毛细滴管末端的液滴在强相互作用区内逐渐长大，最后液滴落下；

二、开启计算机和外部电路，所述的外部电路为微波谐振腔、微波信号发生器、微波检测器和接口电路；

三、调节毛细滴管上的阀门，控制液滴缓慢落下的周期，为几十秒到几百秒一滴；

四、计算机控制微波信号发生器快速扫频，扫频信号通过微波耦合装置进入上述所述的强相互作用区，作用后的微波经耦合装置输出进入微波检测器，经微波检测器处理后的信号通过接口电路进入计算机；

五、通过电子天平测量每滴液滴的重量，其信号通过接口电路进入计算机；

六、计算机同时处理上述两个接口传来的信号，即可反演液滴的生长过程、液滴的下落时间、液滴变化过程中不同时刻所对应的微波传感器的输出电压和谐振频率，通过计算同时测量液滴吸波特性和表面张力。

本发明的基本原理为用微波谐振腔测量液滴的吸波特性，通过测量液滴在强相互作用区内逐渐长大、滴落的过程及液滴的重量，从而达到同时测量液滴吸波特性和表面张力的目的，并在此基础上测量液体的浓度。

由微波理论可知，对于图1所示的圆柱形TE₀₁₀模金属谐振腔，液滴在其内逐渐生长时，谐振腔的频偏与液滴半径R的关系为(假设液滴为球)：

$\frac{\mathrm{\Δf}}{f}=-\frac{\mathrm{\π}{R}^3{\mathrm{\ϵ}}_0{E_0}^2}{W_0}\·\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r^{\′}-1}{{\mathrm{\ϵ}}_r^{\′}+2}---\left(1\right)$

上式中，Δf为谐振腔的频偏；W₀为空谐振腔贮存的能量；E₀为球外场；R为液滴球的半经；ε′为液滴的相对介电常数；ε₀为真空的介电常数。由式(1)知，液滴半径R逐渐增大时，谐振腔的频偏增大。

谐振腔的有载品质因素Q_s与液滴介电常数虚部ε_r″的关系为：

$\frac{1}{2}(\frac{1}{Q_s}-\frac{1}{Q_0})={\mathrm{\ϵ}}_r^{\′\′}\·\frac{4\mathrm{\π}{R}^3{E}_0^2}{{\mathrm{\ϵ}}_r^{\′}+2}\·\frac{1}{W_0}---\left(2\right)$

$Q_s=\frac{f_s}{\mathrm{\Δf}}---\left(3\right)$

上式中，Q_s，Q₀分别为谐振腔的有载品质因素和无载品质因素；R为液滴球的半经；E₀为球外场；Δf为谐振腔谐振特性的3dB带宽；W₀为空谐振腔贮存的能量。由(2)知，液滴半径逐渐增大时，谐振腔的Q_s逐渐减小。由(3)知，谐振腔的Q_s逐渐减小时，谐振腔的3dB带宽Δf将逐渐增大。

另外，滴重法计算液滴表面张力的公式为：

$\mathrm{\γ}=\frac{\mathrm{Fmg}}{R}---\left(4\right)$

上式中，m为液滴的质量；g为重力加速度；R为液滴的半径；F为液滴体积校正系数。

由此可见，通过测量液滴在强相互作用区内逐渐长大、下落的时间和液滴的重量，即可同时测量液滴的吸波特性和表面张力，并在此基础上测量液体的浓度。

与传统的表面张力测量方法比较，本发明方法不但能测量液滴的表面张力，而且还能测量液滴的吸波特性；与传统的测量液体吸波特性的方法比较，本发明方法不但能测出液滴的吸波特性，而且还能测量液滴的表面张力；与McMillan等人发明的同时测量液滴表面张力和光特性的光纤滴定仪比较，本发明能测量液滴微波段的吸波特性，并且本发明方法性价比更高；与McMillan等人发明的同时测量液滴表面张力和电特性的电容滴定仪比较，本发明灵敏度高，蒸馏水液滴的体积分辨率为0.1μL，是McMillan方法的10倍。除了可同时测量所有液滴的吸波特性和表面张力外，也能测量液体的浓度、粘度等物理化学性质。本发明测量准确，适用于所有液滴表面张力和吸波特性的测量。

附图说明

图1为测量液滴的圆柱形金属谐振腔。

图2为本发明实施例中的构成方框图。

图3为测量蒸馏水液滴的3维图。

图4为由图3变换得到的液滴形成时间与微波传感器输出电压的关系图。

图5为由图3变换得到的液滴形成时间与微波传感器谐振频率的关系图。

图6为由图3变换得到的微波传感器输出电压与谐振频率的关系，液滴形成时间为参变数。

图7为2％盐水的3dB带宽与液滴形成时间的关系图。

图8为4％盐水的3dB带宽与液滴形成时间的关系图。

图9为6％盐水的3dB带宽与液滴形成时间的关系图。

图10为8％盐水的3dB带宽与液滴形成时间的关系图。

图11为10％盐水的3dB带宽与液滴形成时间的关系图。

图12为甘油液滴的3维图。

图中：1-圆柱形金属谐振腔，2-谐振腔上的开孔，3-毛细滴管，4-小圆盘，5-液滴，6-耦合装置，7-微波信号发生器，8-接口电路，9-电子天平，10-接口电路，11-计算机系统，12-微波检测器，13-接口电路。

具体实施方式

计算机系统11通过接口电路8控制微波信号发生器7，微波信号发生器7输出扫频微波，扫频微波经耦合装置6进入圆柱形金属谐振腔1，圆柱形金属谐振腔1内置毛细滴管3，毛细滴管3垂直放置，其中有液滴5，液滴5在谐振腔内逐渐生长，并与微波相互作用，作用后的微波经耦合装置6输出，耦合装置输出的微波进入微波检测器12，微波检测器12处理后的信号由接口电路13进入计算机系统11。与此同时，电子天平9测量落下液滴的重量，落下液滴的重量信息由接口电路10进入计算机系统11。计算机系统11处理从以上2个接口电路来的信号即可计算液滴吸波特性、表面张力和测量液体的浓度。上述的微波信号发生器7也可采用非正弦信号发生器，测量方法也可采用时域测量。

在本实施例中，圆柱形金属谐振腔高度为14mm，内半径为48mm，外半径为52mm，材质为黄铜；耦合装置为电耦合棒，电耦合棒的半径为1mm，长为4mm：圆柱形金属谐振腔中心孔直径为10mm；微波信号发生器由扫频电路组成；小圆盘4外半径为2.5mm，内半径为1mm；接口电路分别用于将计算机系统与微波信号发生器、电子天平和微波检测器连接；微波检测器由线性检波、放大电路组成；电子天平为具有RS-232接口的市售商品；计算机系统由单片机、通信接口和普通PC机组成。

该实施例中，外部电路包含有微波谐振腔、微波信号发生器、微波检测器和接口电路。

实验结果：

在图2所示的实验条件下，分别测量蒸馏水、盐水和甘油的特性，实验结果见图3～12。图3为测量蒸馏水液滴的3维图，液滴周期43.47s，共计3滴，环境温度17℃；图4为由图3变换得到的液滴形成时间与微波传感器输出电压的关系，液滴周期43.47s，共计3滴，环境温度17℃；图5为由图3变换得到的液滴形成时间与微波传感器谐振频率的关系，液滴周期43.47s，共计3滴，环境温度17℃，以上实验结果与理论公式(1)相符；图6为由图3变换得到的微波传感器输出电压与谐振频率的关系，液滴形成时间为参变数，液滴形成时间t按图6所示增加，时间范围为0～43.47s；图7为2％盐水的3dB带宽与液滴形成时间的关系；图8为4％盐水的3dB带宽与液滴形成时间的关系；图9为6％盐水的3dB带宽与液滴形成时间的关系；图10为8％盐水的3dB带宽与液滴形成时间的关系；图11为10％盐水的3dB带宽与液滴形成时间的关系；图12为甘油液滴的3维图，液滴周期47.11s，共计3滴，环境温度17℃。由图7～11可见，液滴形成并长大时，微波传感器的3dB带宽Δf将逐渐增大，并且盐水浓度高时，3dB带宽Δf大，以上实验结果与理论公式(3)相符，因此，本发明可以测量液体的浓度。表1为用本发明方法测量得到的蒸馏水、10％盐水和甘油的表面张力，测量结果与文献值相符。

表1

液体	文献值mNm-1	测量值mNm-1
			蒸馏水	72.0	72.5

10％盐水	75.9	77.1
			甘油	62.8	63.5

本发明所述的微波传感器测量液滴吸波特性和表面张力的方法所使用的装置包括圆柱形金属谐振腔1、谐振腔上的开孔2、毛细滴管3、小圆盘4、液滴5、耦合装置6、微波信号发生器7、接口电路8、电子天平9、接口电路10、计算机系统11、微波检测器12和接口电路13。所述的金属谐振腔为微波激励的谐振腔；所述的液滴在谐振腔内，位置在强相互作用区内；微波信号发生器通过左边的耦合装置6激励谐振腔1，计算机系统通过接口电路8控制微波信号发生器周期性扫描；右边的耦合装置6耦合谐振腔的输出至微波检测器12，计算机系统通过接口电路13获取微波检测器的输出信号；电子天平9通过接口电路10将液滴重量传送给计算机系统11；计算机系统11通过三个接口电路实时获取液滴生长过程、下落时间、重量、谐振腔输出的频率和电压。该方法包括以下步骤：

①、将毛细滴管插入谐振腔，调节液滴下落数目，每滴几十秒至几百秒，开启计算机系统和外围电路；

②、开启电子天平；

③、运行测量软件，记录液滴生长过程、下落时间、重量、谐振腔输出的频率和电压。

本发明提供了一个微波与液滴的强相互作用区，即金属谐振腔。采用分布参数谐振腔会使检测精度更高，所述的金属谐振腔可以是开放式的，也可以是封闭式的，其形状可为多种形状，如：圆柱形、方形、平面型等；当金属谐振腔为封闭时，腔壁上应有开口，让液滴自由进出；当谐振腔为开放时，液滴应靠近谐振腔，其距离应小于激励的谐振腔的微波的一个波长，液滴可在谐振腔微波作用空间中的任何位置(在这些位置液滴逐渐生长的变化应能引起谐振腔频率和Q值的变化)，但在强相互作用区时灵敏度更高。

根据上面的方法，本专业的普通技术人员就可以实施本发明，实现发明的目的。

以上实施例仅对发明做进一步的说明，而本发明的范围不受所举实施例的局限。

Claims (7)

1.一种微波传感器检测液滴吸波特性和表面张力的方法，其特征在于由以下步骤组成：

一、提供微波与待测液滴的强相互作用区，在此作用区内垂直设置毛细滴管，使毛细滴管末端的液滴在强相互作用区内逐渐长大，最后液滴落下；

二、开启计算机和外部电路，所述的外部电路为微波谐振腔、微波信号发生器、微波检测器和接口电路；

三、调节毛细滴管上的阀门，控制液滴缓慢落下的周期，为几十秒到几百秒一滴；

四、计算机控制微波信号发生器快速扫频，扫频信号通过微波耦合装置进入上述所述的强相互作用区，作用后的微波经耦合装置输出进入微波检测器，经微波检测器处理后的信号通过接口电路进入计算机；

五、通过电子天平测量每滴液滴的重量，其信号通过接口电路进入计算机；

六、计算机同时处理上述两个接口传来的信号，即可反演液滴的生长过程、液滴的下落时间、液滴变化过程中不同时刻所对应的微波传感器的输出电压和谐振频率，通过计算同时测量液滴吸波特性和表面张力。

2.如权利要求1所述的微波传感器检测液滴吸波特性和表面张力的方法，其特征在于所述的强相互作用区为金属谐振腔。

3.如权利要求2所述的微波传感器检测液滴吸波特性和表面张力的方法，其特征在于所述的金属谐振腔为被微波激励的金属谐振腔。

4.如权利要求3所述的微波传感器检测液滴吸波特性和表面张力的方法，其特征在于所述的金属谐振腔为封闭式的，腔壁上有开口。

5.如权利要求1所述的微波传感器检测液滴吸波特性和表面张力的方法，其特征在于所述的金属谐振腔是开放式的。

6.如权利要求1所述的微波传感器检测液滴吸波特性和表面张力的方法，其特征在于所述的微波信号发生器为扫频信号发生器。

7.如权利要求1所述的微波传感器检测液滴吸波特性和表面张力的方法，其特征在于所述的微波检测器为线性检测器。

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