CN101949809B - 液体表面张力系数测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液体表面张力系数测量仪，由底座(1)，固定在底座(1)上的立柱(2)，立柱(2)上设固定滑块(3)，滑块内设有齿轮及转动齿轮的手柄，齿轮与一个升降滑块(4)上的齿条配合，升降滑块(4)与固定滑块(3)之间有导向装置，升降滑块(4)上设置一悬置的力敏传感器装置，力敏传感器用一组细线支撑圆形固定架(8)，圆形固定架(8)内安装接触被测液体表面的铝合金吊环(6)，每根细线的长度是可分别调节的，固定铝合金吊环(6)的圆形固定架(8)内安装有小型水平仪(7)，容纳被测液体的容器设有可控温的加热装置。本仪器不但测试方便，而且测量精度也比原仪器大大提高。

Description

液体表面张力系数测量仪

技术领域

本发明一般涉及一种物理实验装置，特别是一种测量不同温度的液体表面张力系数测量仪。

背景技术

在物理实验装置中，尤其是热力学实验装置中，经常要涉及测定测量不同温度的液体表面张力系数实验。液体表面层内分子相互作用的结果使得液体表面自然收缩，犹如张紧的弹性薄膜。由于液面收缩而产生的沿着切线方向的力称为表面张力。表面张力的存在使液面产生许多特有现象，如润湿现象，毛细现象，水面波的传播，这些现象在工业、农业和日常生活中有很多应用。

液体表面张力的测量方法很多，有拉脱法、毛细管法、垂滴法等，现在一般都是采用力敏传感器用拉脱法测量液体表面张力，其测量原理如下：

设想在液面上作长为L的线段，线段两侧液面便有张力f相互作用，其方向与L垂直，大小与线段长度L成正比。即有

f＝αL                    (1)

比例系数α称为液体表面张力系数，其单位为N·m^-1。

将一表面洁净的长为L、宽为d的矩形金属片(或金属丝)竖直浸入水中，然后慢慢提起一张水膜，当金属片将要脱离液面，即拉起的水膜将要破裂时，则有

F＝mg+f                   (2)

式中F为把金属片拉出液面时所用的力；mg为金属片和带起的水膜的总重量；f为表面张力。此时，矩形金属片与液面接触线总长为2(L+d)，由(1)，(2)式可得

$\mathrm{\α}=\frac{F-\mathrm{mg}}{2(L+d)}---\left(3\right)$

若用金属环代替金属片，则有

$\mathrm{\α}=\frac{F-\mathrm{mg}}{\mathrm{\π}(D_1+D_2)}---\left(4\right)$

式中D₁、D₂分别为圆环的内外直径。

硅压阻式力敏传感器由弹性梁和贴在梁上的传感器芯片组成，其中芯片由四个硅扩散电阻集成一个非平衡电桥。当外界压力作用于金属梁时，在压力作用下，电桥失去平衡，此时将有电压信号输出，输出电压大小与所加外力成正比。即：

U＝BF                    (5)

式中，F为外力大小，B为硅压阻式力敏传感器的灵敏度，U为传感器输出电压的大小。

由于环形液膜即将拉断前一瞬间数字电压表的读数值U₁＝B(mg+f)，液膜拉断后一瞬间数字电压表的读数值U₂＝Bmg，则两电压的差值

ΔU＝U₁-U₂＝Bf                (6)

则通过压力传感器测得的液体表面张力为

f＝(U₁-U₂)/B                  (7)

如果用一个金属环固定在传感器上，将该环浸没于液体中，并渐渐拉起圆环，当它从液面拉脱瞬间传感器到的拉力差值f为

f＝απ(D₁+D₂)                              (8)

式中：D₁、D₂分别为圆环外径和内径，α为液体表面张力系数，g为重力加速度，所以由(8)式得液体表面张力系数为：

α＝f/[π(D₁+D₂)]                           (9)

将(7)式代入(9)式，得液体表面张力系数

$\mathrm{\α}=\frac{f}{\mathrm{\π}(D_1+D_2)}=\frac{U_1-U_2}{\mathrm{B\π}(D_1+D_2)}---\left(10\right)$

α的单位为N·m^-1。

实验表明，α与液体种类、纯度、温度和液面上方的气体成分有关，液体温度越高，α值越小，液体含杂质越多，α值越小，只要上述条件保持一定，则α是一个常数，所以测量α时要记下当时的温度和所有液体的种类及纯度。

中国实用新型专利，专利号为：ZL012543398.X公开了一种液体表面张力测量仪，采用拉脱法进行测量，用半导体电阻应变片构成的高灵敏度微张力传感器和测试显示仪表来取代以往的焦利秤、扭秤、天平等，进行液体表面张力测量。它结构简单操作方便测量误差小，重复性好，物理概念表达清晰、直观，比用以往的焦利秤、扭秤、天平等进行测量虽说有了很大的改进，但该仪器仍然存在的很多不足；第一，公知的拉脱法液体表面张力测量仪主要误差来源之一是吊环不易调水平，测量时如吊环偏差1°，测量结果引入误差为0.5％；偏差2°，则误差为1.6％。公知仪器吊环水平调式是调节三根细金属丝仅凭感觉判断吊环下沿是否水平，此种方法既原始也不科学，而且没有判断依据。所以吊环是否水平很难判断，调节不好直接影响到测量结果的准确性。第二，仪器吊环的升降采用丝杆螺母传动，传动装置使用的是细牙螺纹，测量时要调节载物台上下移动非常困难，加之原仪器移动行程短，测一些表面张力系数小的液体时往往拉不断液膜；另外在调节升降螺母时都会使盛放液体的玻璃器皿晃动，这样就容易导致液膜断裂，使测量精度降低；第三，仪器没有加热装置所以只能测量室温环境下的液体表面张力系数，不能测量需要温度下的液体表面张力系数。

发明内容

本发明的目的在于提供一个能克服公知技术缺点，能对金属环的水平进行调节，金属环从被测液面中拉脱容易，还能测量需要温度液体表面张力系数的液体表面张力系数测量仪。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种液体表面张力系数测量仪，由底座，固定在底座上的立柱，立柱上设固定滑块，滑块内设有齿轮及转动齿轮的手柄，齿轮与一个升降滑块上的齿条配合，升降滑块与固定滑块之间有导向装置，升降滑块上设置一悬置的力敏传感器装置，力敏传感器用一组细线支撑圆形固定架，圆形固定架内安装有接触被测液体表面的铝合金吊环，其特别之处在于：每根细线的长度是可分别调节的，固定铝合金吊环的圆形固定架内安装有小型水平仪，容纳被测液体的容器放置在设有可控温的加热装置内。

上述装置控制吊环水平容易，吊环从液面上拉脱操作方便稳定性好，拉力测量采用硅单晶电阻应变传感器测量，拉力大小以数字式电压表输出电压显示，读数容易。仪器可对不同温度的液体表面张力系数进行测量，从而实现了本发明的目的。

下面结合图示及实施例对方案作更详细的说明。

附图说明

图1为液体表面张力系数测量装置；

图2为图1中的A-A剖视图，说明滑块升降装置工作原理；

图3为吊环水平调节装置。

具体实施方式

图1为所述的液体表面张力系数测量装置测定仪，有一底座1，底座1上固定一L形立柱2，固定滑块3固定在立柱上。升降滑块4与固定滑块3滑动配合，升降滑块4与固定滑块3之间的导向装置为燕尾槽。安装力敏传感器的悬置臂5固定安装在升降滑块4上，铝合金吊环6、小型水平仪7都安装在一圆形固定架8上，具体结构见图2，圆形固定架8的下端部固定有铝合金吊环6，铝合金吊环6为一圆形薄片，吊环6的上部与固定架8的下端配合并固定，吊环6的下端悬置与被测液面接触，吊环6的下端面圈与被测液面保持精度较高的平行度，圆形固定架8的上内圆面设有一定位圈14，所述的定位圈14安装小型水平仪7，小型水平仪采用的金华市益佳工具厂生产的塑料圆柱水准泡，规格为Φ30×14mm，固定架8的外圆周均布有一组水平调节钮9，水平调节钮9与悬挂细线10相连，固定架8用细线10连接悬挂在力敏传感器上。本实施例用三根细线10，各个细线的长度是可调节的，所述的调节细线长度的装置水平调节钮9为设置在固定架8边缘的一组螺钉，每根细线的端部固定在螺钉上，螺钉转动时细线缠绕在螺杆上，铝合金吊环6调水平通过边调节钮9边观察水平仪7完成；铝合金吊环6的升降通过转动升降调节手轮11实现。调节手轮与齿条配合后通过图3所示的齿条传动装置带动升降滑块4上下移动，铝合金吊环6从液面上拉脱过程通过转动升降调节手轮11即可实现；恒温加热套12用来将烧杯13里面的被测液体加热到设定的温度。本实施例采用北京泰亚赛福科技发展有限责任公司的BSM100型数显恒温加热套，本发明由于采用恒温加热套对被测液体加温可对不同温度下的液体表面张力系数进行测量；测量时吊环处于水平状态。吊环升降采用齿轮，齿条传动，升降速度快，拉脱容易，仪器精度高，稳定性好，使用起来非常方便，是对公知技术的一个很大的改进。

下面举几个用上述装置测定液体表面张力系数的实例。

首先对硅压阻力敏传感器定标，力敏传感器上分别加各种质量砝码，测出相应的电压输出值，实验结果见表1。

表1力敏传感器定标

经最小二乘法拟合得仪器的灵敏度B＝2.938×10³mV/N，拟合的线性相关系数r＝0.9997。南充地区重力加速度g＝9.792m/s²。

用游标卡尺测量试验用金属圆环：外径D₁＝3.496cm，内径D₂＝3.310cm，

一、用本申请设计的液体表面张力系数测定仪对水和其它液体表面张力系数的测量结果如下：

调节上升架，记录环在即将拉断液柱时数字电压表计数U₁，拉断时数字电压表的计数U₂，结果见表2。

表2纯水的表面张力系数测量(水的温度25.00℃)

在此温度下水的表面张力系数为72.54×10^-3N/m。经查表，在T＝25.0℃时水的表面张力系数为71.96×10^-3N/m，百分误差为0.81％。

表3乙醇的表面张力系数测量(乙醇的温度T＝25.20℃)

在此温度下乙醇表面张力系数为21.85×10^-3N/m。经查表，在T＝25.20℃时乙醇的表面张力系数为21.95×10^-3N/m，百分误差为0.46％。

表4甘油(丙三醇)的表面张力系数测量(甘油的温度T＝25.0℃)

在此温度下甘油的表面张力系数为58.95×10^-3N/m。经查表，在T＝25.00℃时，甘油的表面张力系数为58.70×10^-3N/m，百分误差为0.43％。

二、用原有的液体表面张力系数测定仪对水和其它液体表面张力系数的测量结果如下：

调节上升架，记录环在即将拉断液柱时数字电压表计数U₁，拉断时数字电压表的计数U₂，结果见表2。

表2乙醇的表面张力系数测量(乙醇的温度T＝25.00℃)

在此温度下水的表面张力系数为73.79×10^-3N/m。经查表，在T＝25.0℃时水的表面张力系数为71.96×10^-3N/m，百分误差为2.55％。

表3乙醇的表面张力系数测量(乙醇的温度T＝25.20℃)

在此温度下乙醇表面张力系数为21.45×10^-3N/m。经查表，在T＝25.20℃时乙醇的表面张力系数为21.96×10^-3N/m，百分误差为2.27％。

表4甘油(丙三醇)的表面张力系数测量(甘油的温度T＝25.0℃)

在此温度下甘油的表面张力系数为57.02×10^-3N/m。经查表，在T＝25.00℃时，甘油的表面张力系数为58.70×10^-3N/m，百分误差为2.85％。

结论：通过实验对比可以看出使用新发明的液体表面张力系数测量仪测液体表面张力系数不但测试方便，而且测量精度也比原仪器大大提高。

Claims (2)

1.一种液体表面张力系数测量仪，包括底座(1)，固定在底座(1)上的立柱(2)，立柱(2)上设固定滑块(3)，固定滑块内设有齿轮及转动齿轮的手柄，齿轮与一个升降滑块(4)上的齿条配合，升降滑块(4)与固定滑块(3)之间有导向装置，升降滑块(4)上设置一悬置的力敏传感器装置，力敏传感器装置用一组细线支撑圆形固定架(8)，圆形固定架(8)内安装接触被测液体表面的铝合金吊环(6)，其特征在于：还包括调节细线长度的装置，使得每根细线的长度能够分别调节，所述的调节细线长度的装置为设置在圆形固定架(8)边缘的一组螺钉，每根细线的端部固定在对应的螺钉上，螺钉转动时细线缠绕在螺钉的螺杆上，固定铝合金吊环(6)的圆形固定架(8)内安装有小型水平仪(7)，容纳被测液体的容器设有可控温的加热装置。

2.根据权利要求1所述的一种液体表面张力系数测量仪，其特征在于：所述的升降滑块(4)与固定滑块(3)之间的导向装置为燕尾槽，铝合金吊环升降通过转动手柄带动齿轮、齿条构成的传动装置实现。

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