CN103940705B - 液体表面张力测量仪和测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种液体表面张力测量仪和测量方法，所述液体表面张力测量仪包括气泡发生单元、压力感应单元、温度检测单元和显示器，所述气泡发生单元、所述压力感应单元、所述温度检测单元分别与所述显示器连接，所述气泡发生单元和所述压力感应单元连接。本发明通过单片机控制微泵的气体进出流量，从而控制毛细管在液体表面的出泡大小和频率，避免额定功率的气泵或玻璃装置带来的仪器或人为误差，提高了测量的精密度，且操作简单，便于教学实验操作；通过通信端口与计算机连接，便于电子化教学实验，还可以在计算机上显示不同气体流量条件下、不同温度条件下或不同液体条件下的气泡压力变化曲线、液体表面张力值，并在计算机中保存数据。

Description

液体表面张力测量仪和测量方法

技术领域

本发明涉及一种张力测量装置和方法，特别是涉及一种液体表面张力测量仪和测量方法。

背景技术

表面张力是液体的基本物化性质之一，是研究有关表面现象和表面活性剂性能的重要参数。通常测定表面张力有多种方法，目前实验室及物理化学教科书中，通常采用最大气泡压力法。由于最大气泡压力法实验器材易得，操作方法相对易于学生理解表面张力的原理，因而长期以来是物理化学教学实验的常见内容。

目前，市面上的最大气泡法液体表面张力测量仪大致可分为两类：以玻璃为主的传统测量装置和一体化设计的电子测量仪。

传统测量装置多用于教学实验。由于外观老套、搭建繁琐，玻璃易碎、密封性差等原因，容易产生系统或人为误差，精密度较低。传统测量装置不具备相应软硬件，无法与电脑进行数据通信，不能进行在线操作。

一体化设计的电子测量仪的精密度高于传统测量装置，基本配有与电脑连接的端口或软件。其缺陷在于价格昂贵，且无法调控气泡大小和频率，不便于教学实验操作。因此这一类仪器大多会在企业或研究所中使用，难以广泛应用于教学实验中。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种液体表面张力测量仪和测量方法，用于解决现有技术中传统测量液体表面张力装置存在精密度低、难以适配电子化教学的缺陷，而一体化电子测量仪存在价格昂贵、不便于教学实验操作缺陷的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种液体表面张力测量仪，包括气泡发生单元、压力感应单元、温度检测单元和显示器。所述气泡发生单元、所述压力感应单元、所述温度检测单元分别与所述显示器连接，所述气泡发生单元和所述压力感应单元连接。所述气泡发生单元包括毛细管、微泵和第一电子驱动控制器，用于向液体表面输出气体产生气泡。所述微泵上设有进气口、出气口和连接头。所述毛细管的一端通过所述出气口与所述微泵连接、另一端与液体表面相切。所述微泵通过所述连接头与所述第一电子驱动控制器连接。所述第一电子驱动控制器与所述显示器连接。所述压力感应单元包括压力传感器和第二电子驱动控制器，用于检测所述气泡产生的压力。所述毛细管、所述出气口和所述压力传感器通过三通管相互连接。所述第二电子驱动控制器与所述压力传感器、所述显示器连接。所述温度检测单元包括温度检测器和温度传感棒，用于检测液体的温度。所述温度传感棒一端与所述温度检测器连接，另一端深入液体内部。所述温度检测器与所述显示器连接，检测到液体温度值后发送至显示器。

优选地，所述毛细管的管口直径为0.5-1mm。

优选地，所述第一电子驱动控制器包括第一单片机和第二单片机；所述第一单片机与所述微泵连接，用于控制所述微泵的气体进出流量；所述第二单片机与所述第一单片机、所述显示器连接，用于控制所述第一单片机的输出电压和电流频率，并将输出电压和电流频率值发送至所述显示器。

优选地，所述第一电子驱动控制器还包括与所述第二单片机、所述显示器连接的第三单片机，用于根据所述输出电压和电流频率以及所述微泵的额定参数计算出所述微泵的气体流量值，将所述气体流量值发送至所述显示器。

优选地，所述液体表面张力测量仪还包括与所述第二单片机连接，用于设定所述输出电压和电流频率的按键。

优选地，所述第二电子驱动控制器包括第四单片机，所述第四单片机与所述压力传感器、所述显示器连接，用于处理所述压力传感器输出的压力信号，得到气泡压力值，并将所述气泡压力值发送至所述显示器。

优选地，所述液体表面张力测量仪还包括与所述气泡发生单元、所述温度检测单元、所述压力感应单元、所述显示器通信连接，用于连接计算机的通信端口。

本发明还提供一种利用所述液体表面张力测量仪测量液体表面张力的方法，包括：所述液体表面张力测量仪通电后，所述温度检测器通过所述温度传感棒检测到液体的温度，将液体温度值发送至显示器，显示器显示所述液体温度值；所述第一电子驱动控制器通过控制向所述微泵输出的电压和电流频率来调节所述微泵向所述毛细管输出气体的流量，并将电压和电流频率值发送至显示器，显示器显示所述电压和电流频率值；毛细管向液体表面输出气体，形成气泡，通过所述三通管与所述毛细管连接的所述压力传感器检测到压力，向所述第二电子驱动控制器输出压力信号；所述第二电子驱动控制器处理所述压力信号，得到气泡压力值，并将所述气泡压力值发送至显示器，显示器显示所述气泡压力值。

优选地，所述输出气体的流量不超过所述微泵在所选介质时的最大流量和背压。

如上所述，本发明液体表面张力测量仪和测量方法，具有以下有益效果：通过单片机控制微泵的气体进出流量，从而控制毛细管在液体表面的出泡大小和频率，避免额定功率的气泵或玻璃装置带来的仪器或人为误差，提高了测量的精密度，且操作简单，便于教学实验操作；通过通信端口与计算机连接，便于电子化教学实验，还可以在计算机上显示不同气体流量条件下、不同温度条件下或不同液体条件下的气泡压力变化曲线、液体表面张力值，并在计算机上保存数据。

附图说明

图1显示为本发明液体表面张力测量仪的结构示意图。

图2显示为本发明液体表面张力测量仪的内部结构示意图。

图3显示为本发明液体表面张力测量仪气泡发生单元中微泵的结构示意图。

图4显示为本发明第二实施例液体表面张力测量仪的正面示意图。

图5显示为本发明第二实施例液体表面张力测量仪的背面示意图。

图6显示为本发明液体表面张力测量方法的流程图。

图7显示为本发明第一实施例液体表面张力测量方法的流程图。

图8显示为本发明第二实施例液体表面张力测量方法的流程图。

元件标号说明

1液体表面张力测量仪

11气泡发生单元

13压力感应单元

15温度检测单元

17显示器

19通信接口

111第一电子驱动控制器

113微泵

115毛细管

131压力传感器

133第二电子驱动控制器

151温度检测器

153温度传感棒

1111第一单片机

1113第二单片机

1131进气口

1133出气口

1135连接头

1331第四单片机

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

请参阅图1-图5。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

实施例一

图1为本发明液体表面张力测量仪的结构示意图。图2为本发明液体表面张力测量仪的内部结构示意图。

如图1-图2所示，本发明提供一种液体表面张力测量仪，在本实施例中，液体表面张力测量仪1包括气泡发生单元11、压力感应单元13、温度检测单元15和显示器17。

气泡发生单元11，与压力感应单元13、显示器17连接。具体地，气泡发生单元11包括第一电子驱动控制器111、微泵113和毛细管115。图3为微泵结构示意图，如图3所示，微泵113上设有进气口1131、出气口1133和连接头1135，毛细管115的一端通过出气口1133与微泵113连接、另一端与液体表面相切，第一电子驱动控制器111通过连接头1135与微泵113连接。第一电子驱动控制器111包括第一单片机1111和第二单片机1113；第一单片机1111与微泵113连接，用于控制微泵113的气体进出流量；第二单片机1113与第一单片机1111、显示器17连接，用于控制第一单片机1111的输出电压和电流频率，并将输出电压和电流频率值发送至显示器17。

压力感应单元13，与显示器17连接。具体地，压力感应单元13包括压力传感器131和第二电子驱动控制器133。毛细管115、出气口1133和压力传感器131通过三通管相互连接，第二电子驱动控制器133与压力传感器131连接。第二电子驱动控制器133包括第四单片机1331，第四单片机1331与压力传感器131、显示器17连接，用于处理压力传感器131输出的压力信号，得到气泡压力值，并将所述气泡压力值发送至显示器17。

温度检测单元15，与显示器17连接。具体地，温度检测单元15包括温度检测器151和温度传感棒153。温度传感棒153一端与温度检测器151连接，另一端深入液体内部。温度检测器151与显示器17连接，检测到液体温度值后发送至显示器17。

显示器17，用于显示第二单片机1113发送的所述输出电压和电流频率、第四单片机1331发送的所述气泡压力值、温度检测器151发送的液体温度值。

优选地，毛细管115的管口直径为0.5-1mm。

优选地，第一电子驱动控制器111还包括与第一单片机1111、显示器17连接的第三单片机(未在图中示出)，用于根据第二单片机1113对微泵113输出的电压和电流频率以及微泵113的额定参数计算出微泵113的气体流量值，并将所述气体流量值发送至显示器17。

图7为本实施例液体表面张力测量方法的流程图。

如图7所示，本发明提供一种液体表面张力测量方法。将装有用于测量的液体的容器放入已设定温度的可调节恒温水浴锅内，毛细管115的下端与容器内液体表面相切，温度传感棒153深入液体内部。所述液体表面张力测量方法包括：

液体表面张力测量仪1通电后，温度检测器151通过温度传感棒153检测到液体的温度，将液体温度值发送至显示器17，显示器17显示所述液体温度值。

第一电子驱动控制器111通过控制向微泵113输出的电压和电流频率来调节微泵113向毛细管115输出气体的流量，并将电压和电流频率值发送至显示器17，显示器17显示所述电压和电流频率值。具体地，第二单片机1113控制第一单片机1111向微泵113输出的电压和电流频率，并将电压和电流频率值发送至显示器17显示。

毛细管115向液体表面输出气体，形成气泡，通过所述三通管与毛细管115连接的压力传感器131检测到压力，向第二电子驱动控制器133输出压力信号。

第二电子驱动控制器133处理所述压力信号，得到气泡压力值，并将所述气泡压力值发送至显示器17，显示器17显示所述气泡压力值。具体地，第四单片机1331处理压力传感器131输出的压力信号，得到气泡压力值，并将所述气泡压力值发送至显示器17。

通过所述可调节恒温水浴锅调节液体温度后，或置换所述用于测量的液体后，或调节所述电压和电流频率后，重复上述方法的各步骤，得到不同温度、不同测量液体或不同电压和电流频率条件下的测量结果。

优选地，所述输出气体的流量不超过所述微泵在所选介质时的最大流量和背压。

优选地，第二单片机1113控制第一单片机1111向微泵113输出的电压和电流频率后，第三单片机从第二单片机1113获取所述电压和电流频率，根据所述电压和电流频率以及微泵113的额定参数计算出微泵113的气体流量值，并将所述气体流量值发送至显示器17，显示器17显示所述气体流量值。

实施例二

图4为本实施例液体表面张力测量仪的正面示意图，图5为本实施例液体表面张力测量仪的背面示意图。

如图1-图5所示，本发明提供一种液体表面张力测量仪，在本实施例中，液体表面张力测量仪1包括气泡发生单元11、压力感应单元13、温度检测单元15、显示器17和通信接口19。所述气泡发生单元11、压力感应单元13、温度检测单元15、显示器17如同实施例一中所述气泡发生单元11、压力感应单元13、温度检测单元15、显示器17。

通信接口19，与气泡发生单元11、压力感应单元13、温度检测单元15、显示器17通信连接，用于连接计算机。具体地，液体表面张力测量仪1通过通信接口19连接计算机后，第二单片机1113通过通信接口19将所述电压和电流频率发送至计算机、第四单片机1331通过通信接口19将所述气泡压力值发送至计算机、温度检测器151通过通信接口19将所述液体温度值发送至计算机。在包含所述第三单片机的优选方案中，所述第三单片机将所述气体流量值通过通信接口19发送至计算机。在计算机上可以记录并显示不同气体流量条件下、不同温度条件下或不同液体条件下的气泡压力变化曲线，进行电子化教学实验。

图8为本实施例液体表面张力测量方法的流程图。

如图8所示，本发明提供一种液体表面张力测量方法。将装有用于测量的液体的容器放入已设定温度的可调节恒温水浴锅内，毛细管115的下端和温度传感棒153的下端分别与容器内液体表面相切。所述液体表面张力测量方法包括：

液体表面张力测量仪1通电后，温度检测器151通过温度传感棒153检测到液体的温度，将液体温度值发送至显示器17，显示器17显示所述液体温度值。温度检测器151通过通信接口19将所述液体温度值发送至计算机，计算机存储所述液体温度值。

第一电子驱动控制器111通过控制向微泵113输出的电压和电流频率来调节微泵113向毛细管115输出气体的流量，并将电压和电流频率值发送至显示器17，显示器17显示所述电压和电流频率值。具体地，第二单片机1113控制第一单片机1111向微泵113输出的电压和电流频率，并将电压和电流频率值发送至显示器17显示。第二单片机1113通过通信接口19将所述电压和电流频率值发送至计算机，计算机存储所述电压和电流频率值。

毛细管115向液体表面输出气体，形成气泡，通过所述三通管与毛细管115连接的压力传感器131检测到压力，向第二电子驱动控制器133输出压力信号。

第二电子驱动控制器133处理所述压力信号，得到气泡压力值，并将所述气泡压力值发送至显示器17，显示器17显示所述气泡压力值。具体地，第四单片机1331处理压力传感器131输出的压力信号，得到气泡压力值，并将所述气泡压力值发送至显示器17。第四单片机1331通过通信接口19将所述气泡压力值发送至计算机，计算机存储所述气泡压力值。

通过所述可调节恒温水浴锅调节液体温度后，或置换所述用于测量的液体后，或调节所述电压和电流频率后，重复上述方法的各步骤，得到不同温度、不同测量液体或不同电压和电流频率条件下的测量结果。计算机显示不同温度、不同测量液体或不同电压和电流频率条件下的气泡压力变化曲线，通过计算机计算处理，将气泡压力值转换为液体表面张力值。

优选地，所述输出气体的流量不超过所述微泵在所选介质时的最大流量和背压。

优选地，第二单片机1113控制第一单片机1111向微泵113输出的电压和电流频率后，第三单片机从第二单片机1113获取所述电压和电流频率，根据所述电压和电流频率以及微泵113的额定参数计算出微泵113的气体流量值，并将所述气体流量值发送至显示器17，显示器17显示所述气体流量值。第三单片机通过通信接口19将所述气体流量值发送至计算机，计算机存储所述气体流量值。

综上所述，本发明通过单片机控制微泵的气体进出流量，从而控制毛细管在液体表面的出泡大小和频率，满足最大气泡法测量液体表面张力，避免额定功率的气泵或玻璃装置带来的仪器或人为误差，提高了测量的精密度，且操作简单，便于教学实验操作；通过通信端口与计算机连接，便于电子化教学实验，还可以在计算机上显示不同气体流量条件下、不同温度条件下或不同液体条件下的气泡压力变化曲线，并在计算机上保存数据。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (6)

1.一种液体表面张力测量仪，其特征在于：所述液体表面张力测量仪包括气泡发生单元、压力感应单元、温度检测单元和显示器，所述气泡发生单元、所述压力感应单元、所述温度检测单元分别与所述显示器连接，所述气泡发生单元和所述压力感应单元连接；

所述气泡发生单元包括毛细管、微泵和第一电子驱动控制器，用于向液体表面输出气体产生气泡；所述微泵上设有进气口、出气口和连接头，所述毛细管的一端通过所述出气口与所述微泵连接、另一端与液体表面相切，所述微泵通过所述连接头与所述第一电子驱动控制器连接，所述第一电子驱动控制器与所述显示器连接；

所述第一电子驱动控制器包括第一单片机和第二单片机；所述第一单片机与所述微泵连接，用于控制所述微泵的气体进出流量；所述第二单片机与所述第一单片机、所述显示器连接，用于控制所述第一单片机的输出电压和电流频率，并将输出电压和电流频率值发送至所述显示器；所述第一电子驱动控制器还包括与所述第二单片机、所述显示器连接的第三单片机，用于根据所述输出电压和电流频率以及所述微泵的额定参数计算出所述微泵的气体流量值，将所述气体流量值发送至所述显示器；

所述压力感应单元包括压力传感器和第二电子驱动控制器，用于检测所述气泡产生的压力；所述毛细管、所述出气口和所述压力传感器通过三通管相互连接，所述第二电子驱动控制器与所述压力传感器、所述显示器连接；

所述第二电子驱动控制器包括第四单片机，所述第四单片机与所述压力传感器、所述显示器连接，用于处理所述压力传感器输出的压力信号，得到气泡压力值，并将所述气泡压力值发送至所述显示器；

所述温度检测单元包括温度检测器和温度传感棒，用于检测液体的温度；所述温度传感棒一端与所述温度检测器连接，另一端深入液体内部；所述温度检测器与所述显示器连接。

2.根据权利要求1所述的液体表面张力测量仪，其特征在于：所述毛细管的管口直径为0.5-1mm。

3.根据权利要求1所述的液体表面张力测量仪，其特征在于：所述液体表面张力测量仪还包括与所述第二单片机连接，用于设定所述输出电压和电流频率的按键。

4.根据权利要求1所述的液体表面张力测量仪，其特征在于：所述液体表面张力测量仪还包括与所述气泡发生单元、所述温度检测单元、所述压力感应单元、所述显示器通信连接，用于连接计算机的通信端口。

5.一种利用权利要求1-4任一所述液体表面张力测量仪测量液体表面张力的方法，其特征在于，所述方法包括：

所述液体表面张力测量仪通电后，所述温度检测器通过所述温度传感棒检测到液体的温度，将液体温度值发送至显示器，显示器显示所述液体温度值；

所述第一电子驱动控制器通过控制向所述微泵输出的电压和电流频率来调节所述微泵向所述毛细管输出气体的流量，并将电压和电流频率值发送至显示器，显示器显示所述电压和电流频率值；

毛细管向液体表面输出气体，形成气泡，通过所述三通管与所述毛细管连接的所述压力传感器检测到压力，向所述第二电子驱动控制器输出压力信号；

所述第二电子驱动控制器处理所述压力信号，得到气泡压力值，并将所述气泡压力值发送至显示器，显示器显示所述气泡压力值。

6.根据权利要求5所述的利用液体表面张力测量仪测量液体表面张力的方法，其特征在于：通过可调节恒温水浴锅调节液体温度后，或置换所述用于测量的液体后，或调节所述电压和电流频率后，重复权利要求5所述方法的各步骤，得到不同温度、不同测量液体或不同电压和电流频率条件下的测量结果。