CN108872022B - 液体表面张力系数测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种液体表面张力系数测量装置，力敏传感器安装在支架上，该支架固定安装在底座上，且吊环正下方设有一个用于盛装待测试液体的培养皿；套筒底部的开口与软管的一端相连，该软管的另一端具有两根支管，其中一根支管上接有单向阀，另外一根支管上接有限流阀；液槽内装有液体，该液槽上部滑动配合有一个压缩块；培养皿内的待测试液体表面悬浮有一块薄片，该薄片的直径小于吊环的内径。本发明通过液压方式使吊环拉起液膜，液膜发生变化缓慢、均匀，震动很小，从而保证测量精度；本案在待测试液体中增设了一块悬浮的薄片，该薄片能有效减小液膜拉起时收腰的程度，从而吊环的内径*2作为分界线长度l时误差较小。

Description

液体表面张力系数测量装置

技术领域

本发明属于物理教学实验领域，尤其涉及一种液体表面张力系数测量装置。

背景技术

拉脱法测液体表面张力实验是“普通大学物理实验”中的一个经典实验项目，该实验所用的测量系统非常常规和成熟，它用于测量液体表面张力系数，采用力敏传感器作为力传感器测量力变化。实验测量系统将力敏传感器固定，吊环悬挂于力敏传感器上，通过上升液面与吊环接触，吊环上拉起环状液膜。随着液面的逐渐下降，力敏传感器上的力也随之变化。在液膜断裂前、后力敏传感器上的力变化量即为环状液膜断裂前液膜腰部内、外表面所对应的液体表面张力。

传统系统存在如下问题：

1、液面升降过程采用纯手动控制，难于控制拉脱过程液面下降的速度，快速拉起液膜容易使液膜过长产生收腰现象，使得通过吊环内外径计算的表面张力线度过大引入误差；同时，手动控制容易因受力不均引入振动而导致液膜提前断裂，最终导致测量值比实际表面张力大。

2、拉脱过程中，拉力是先增加到某一极大值，再减小到某一值后液膜断裂，断裂前、后的拉力突变减小，并稳定到一更小值。在这个过程中，对应表面张力为液膜断裂前、后拉力的变化量。传统系统通过数显表来观察力的变化，只能看到液膜断裂前瞬时拉力的数值。由于液膜断裂前、后的拉力变化较快，通过即时显示的数显表不易观察断裂前、后的拉力变化量。并且，实验教学中学生容易将力极大值与断裂后力稳定值之差作为表面张力的测量值，从而也会导致测量不准确。

3、现有的测量系统无加热和温控装置，不能进行变温实验，而温度是液体表面张力的一个影响因素，因此无法进一步研究温度对液体表面张力的具体影响，从而限制了学术研究的深入开展。

4、由于液体表面张力F＝α*l，其中α为液体表面张力系数，l为分界线长度，目前一般将π*(D1+D2)作为分界线长度l，其中D1为吊环的外径，D2为吊环的内径；根据液体表面张力F和分界线长度l可以计算液体表面张力系数，从而验证液体表面张力系数。需要特别说明的是，对于无明显收腰的液膜(如表面活性差的水)而言，拉起的液膜为圆柱形形状，将π*(D1+D2)作为分界线长度l时α的计算误差较小；对于收腰明显的液膜(如表面活性强的水和洗涤剂混合液)而言，所述收腰是指液膜的两头大、中间小，将π*(D1+D2)作为分界线长度l会导致α的计算误差较大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种特别适用于表面活性强的液体的液体表面张力系数测量装置，欲提高表面张力系数的测量精度，并能研究温度对液体表面张力系数的影响。

本发明的技术方案如下：一种液体表面张力系数测量装置，包括吊环(1) 和底座(4)，其中吊环(1)吊装在力敏传感器(2)上，该力敏传感器(2)安装在支架(3)上，该支架固定安装在所述底座(4)上，且吊环(1)正下方设有一个用于盛装待测试液体的培养皿(5)，其特征在于：所述培养皿(5)放置在加热片(6)上，该加热片(6)能加热培养皿(5)内的液体，且培养皿(5) 内放置有温度传感器，该温度传感器的检测数据用于控制加热片(6)，从而调整培养皿(5)内液体的温度，并使液体的温度保持恒定；所述加热片(6)安装在放置台(7)的顶面上，该放置台(7)通过升降系统与所述底座(4)相连，并可在升降系统的带动下垂直升降；所述升降系统包括外罩(8)和压缩块(17)，其中外罩(8)上端与所述放置台(7)底面固定，外罩(8)下部与支撑座(9) 滑动配合，并能限制相对转动，且支撑座(9)固定在所述底座(4)顶面上；所述外罩(8)内设有活塞(10)和铁芯(11)，这两个部件的上端均与所述放置台(7)底面固定，其中活塞下部与套筒(12)的内孔滑动配合，套筒(12) 底部与所述支撑座(9)顶面固定；所述套筒(12)底部的开口与软管(13)的一端相连，该软管的另一端具有两根支管，其中一根支管上接有单向阀(14)，另外一根支管上接有限流阀(15)，且这两根支管均与液槽(16)底部的液体过孔连通；所述液槽(16)内装有液体，该液槽上部滑动配合有一个所述压缩块(17)，当向下压压缩块(17)时，将液槽(16)内的液体压向套筒(12)内，从而推动培养皿(5)升高；

所述铁芯(11)的下部插入线圈(18)内，该线圈竖直安装在所述支撑座 (9)顶面，该线圈(18)与数据采集电路电连接，且数据采集电路能计算出铁芯(11)的位移量；所述力敏传感器(2)和数据采集电路的计算数据均输入给计算机，并由计算机根据输入数据绘制出U-L曲线，其中U为力敏传感器(2) 的数据，L为吊环(1)与培养皿(5)内液体液面的相对位移量；所述培养皿(5) 内的待测试液体表面悬浮有一块薄片(20)，该薄片(20)的直径小于所述吊环(1)的内径。

实验时，通过液槽(16)内的液体及对应的管件以液压方式带动培养皿(5) 升降，从而使吊环(1)拉起液膜，通过限流阀(15)控制从套筒(12)回流液槽(16)液流的速度使液膜发生缓慢、均匀的变化，震动很小，从而能够很好地避免现有手动操作方式因为震动而导致液膜提前破裂的缺陷，保证测量精度。同时，本案由计算机根据输入数据绘制出U-L曲线，通过该U-L曲线能有效、形象地显示张力U的变化，从而准确地得出液体表面张力系数。并且，本案采用非接触的方式测量L，测量准确、误差小，也不会对液膜造成震动，这样也会保证测量精度。另外，本案能根据需要调整液体的温度，并维持温度恒定，从而为研究温度对液体表面张力系数的影响提供了技术可能性。

本案在所述培养皿(5)内的待测试液体表面悬浮有一块薄片(20)，该薄片(20)的直径小于所述吊环(1)的内径。在本案中，薄片为铝片，其厚度为 1-2mm，薄片和待测试液体之间不浸润，且本案中的待测试液体采用表面活性强的液体，如水和洗涤剂的混合液。并且，测量时薄片位于吊环的内侧。经过若干次实验证明，加入薄片后，拉起的液膜基本为圆柱形形状，收腰现象不明显。在这种情况下，我们将π*(D1+D2)作为分界线长度l，其中D1为吊环的外径， D2为吊环的内径，这样就使得α的计算误差较小，从而能够很有效地验证表面张力系数α。

本案的发明点主要在于发现现有技术中存在振动而导致液膜提前断裂、实验教学中学生容易将力极大值与断裂后力稳定值之差作为表面张力测量值这些缺陷，从而导致测量精度差、演示教学效果不佳，学生不易理解的问题。同时，现有技术无法研究温度对表面张力的影响，从而导致研究受限。在发现上述问题后，本案提出研究一种液体表面张力系数测量装置，并能研究温度对液体表面张力系数的影响。由于现有文献并未披露有人发现过现有技术存在上述缺陷，也未见有人提出要研究一种液体表面张力系数测量装置，并能研究温度对液体表面张力系数的影响，因此申请人认为从需求牵引研究的角度来看，本案在发现现有技术存在的问题和提出技术需求这一环节就已经具备了创造性。在解决技术问题的过程中，本案采用现有成熟的电脑绘图软件绘制U-L曲线以及调整温度和恒温控制的技术手段，设计出一套简单、行之有效的技术方案很好地达到了既定技术目标。另外，本案在待测试液体中增设了一块悬浮的薄片，该薄片能有效减小液膜拉起时收腰的程度，从而将π*(D1+D2)作为分界线长度l 时误差较小，从而减小表面张力系数α的计算误差，这一通过实验得到的技术改进虽然看似很简单，但却很有效地克服了现有技术存在的缺陷，使本装置特别适用于表面活性强的液体，具有创造性。

为了便于实现防止转动，特使所述外罩(8)与支撑座(9)均为矩形结构。

作为优选，所述支架(3)为“十”字形结构，且所述力敏传感器(2)安装在水平段上。

有益效果：本发明通过液压方式使吊环拉起液膜，液膜发生变化缓慢、均匀，震动很小，从而能够很好地避免现有手动操作方式因为震动而导致液膜提前破裂的缺陷，从而保证测量精度；同时，本案由计算机根据输入数据绘制出 U-L曲线，通过该U-L曲线能有效、形象地显示表面张力F对应电压U的变化，从而准确地得出液体表面张力系数；并且，本案能根据需要调整液体的温度，并维持温度恒定，从而为研究温度对液体表面张力系数提供了技术可能性；本案在待测试液体中增设了一块悬浮的薄片，该薄片能有效减小液膜拉起时收腰的程度，从而将π*(D1+D2)作为分界线长度l时误差较小，从而减小表面张力系数α的计算误差，准确、有效地验证表面张力系统，这一通过实验得到的技术改进虽然看似很简单，但却很有效地克服了现有技术存在的缺陷，使本装置特别适用于表面活性强的液体，具有创造性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本案所绘制的U-L图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如图1、2所示，一种液体表面张力系数测量装置，包括吊环1和底座4，其中吊环1吊装在力敏传感器2上，该力敏传感器2安装在支架3上，该支架固定安装在底座4上。支架3为“十”字形结构，且力敏传感器2安装在水平段上。

吊环1的正下方设有一个用于盛装待测试液体的培养皿5，该培养皿5为玻璃器皿。培养皿5放置在外购的加热片6上，加热片6安装在放置台7的顶面上，该加热片6通电时能加热培养皿5内的液体，从而调整培养皿5内液体的温度，进而研究不同温度下液体的表面张力系数。培养皿5内设置有外购的温度传感器(图中未画出)，该温度传感器的检测数据用于控制加热片6，从而调整培养皿5内液体的温度，从而实现负反馈控制，以便使液体的温度保持恒定，且这一实现负反馈控制的方式为现有技术，在此不做赘述。测量时，放置台7 先上升，吊环1会接触到培养皿5内的液体，然后放置台7下降的过程中由吊环1拉起液膜。另外，可以在放置台7上设一个透明的隔热罩(图中未画出)，该隔热罩罩在培养皿5和吊环1外面，从而隔绝环境温度的影响，进一步温度对表面张力系数影响研究的准确性。

如图1、2所示，放置台7通过升降系统与底座4相连，并可在升降系统的带动下垂直升降。升降系统包括外罩8和压缩块17，其中外罩8的上端与放置台7底面固定，外罩8下部与支撑座9滑动配合，并能限制相对转动，且支撑座9固定在底座4顶面上。外罩8内设有活塞10和铁芯11，活塞10和铁芯11 的上端均与放置台7底面固定，其中活塞10的下部与套筒12的内孔滑动配合，套筒12底部与支撑座9顶面固定。

套筒12底部的开口与软管13的一端相连，该软管13的另一端具有两根支管，其中一根支管上接有单向阀14，另外一根支管上接有限流阀15，且这两根支管均与液槽16底部的液体过孔连通。液槽16内装有液体，该液槽16上部滑动配合有一个压缩块17。当操作者用手向下压压缩块17时，压缩块17使液槽 16内的液体通过单向阀14后进入套筒12内，此时限流阀15关闭，从而通过活塞10推动培养皿5升高。当打开限流阀15时，在放置台7和培养皿5等部件的重力作用下，套筒12内的液体通过软管13和限流阀15回流到液槽16中，从而使培养皿5下降，并由吊环1拉起液膜。培养皿5下降的过程中，液膜会发生变化，力敏传感器2的拉力先增加到某一极大值，再减小到某一值后液膜断裂，断裂前、后的拉力突变减小，并稳定到一更小值。

如图1、2所示，铁芯11的下部插入线圈18内，该线圈18竖直安装在支撑座9顶面，线圈18与数据采集电路电连接。当铁芯11跟随培养皿5升降时，数据采集电路可以根据电感的变化解算出铁芯11的位移量，这一计算铁芯11 位移量的原理和结构为本领域技术人员所熟知，从而间接算出液膜的位移量L。所述培养皿5内的待测试液体表面悬浮有一块金属的薄片20，该薄片20的直径小于所述吊环1的内径。在本案中，薄片20为铝片，其厚度为1-2mm，且薄片20和待测试液体之间不浸润。并且，测量时薄片20位于吊环1的内侧。

力敏传感器2和数据采集电路的计算数据均输入给计算机，并由计算机程序(比如matlab)根据输入数据绘制出U-L曲线，其中U为力敏传感器2测量的电压数据，L为吊环1与培养皿5内液体液面的相对位移量，该位移量也等于液膜的位移量。在测量之前，要通过砝码确定力与力敏传感器2测得电压的比例系数，以便后续通过液膜断裂前、后拉力的电压U变化量*比例系数换算得到液体的表面张力F。上述U-L曲线反应出液膜在某个位移L处时拉力所对应的电压U与位移的关系，液膜断裂前、后拉力的电压U变化量*比例系数即为液体的表面张力，即：(U1-U2)*比例系数＝液体的表面张力F。由于F＝α*l，其中α为液体表面张力系数，l为分界线长度，目前一般将π*(D1+D2)，其中D1为吊环1的外径，D2为吊环1的内径作为分界线长度l，根据表面张力F和分界线长度l可以计算液体表面张力系数，从而验证液体表面张力系数。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不以本发明为限制，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种液体表面张力系数测量装置，包括吊环(1)和底座(4)，其中吊环(1)吊装在力敏传感器(2)上，该力敏传感器(2)安装在支架(3)上，该支架固定安装在所述底座(4)上，且吊环(1)正下方设有一个用于盛装待测试液体的培养皿(5)，其特征在于：所述培养皿(5)放置在加热片(6)上，该加热片(6)能加热培养皿(5)内的液体，且培养皿(5)内放置有温度传感器，该温度传感器的检测数据用于控制加热片(6)，从而调整培养皿(5)内液体的温度，并使液体的温度保持恒定；所述加热片(6)安装在放置台(7)的顶面上，该放置台(7)通过升降系统与所述底座(4)相连，并可在升降系统的带动下垂直升降；所述升降系统包括外罩(8)和压缩块(17)，其中外罩(8)上端与所述放置台(7)底面固定，外罩(8)下部与支撑座(9)滑动配合，并能限制相对转动，且支撑座(9)固定在所述底座(4)顶面上；所述外罩(8)内设有活塞(10)和铁芯(11)，这两个部件的上端均与所述放置台(7)底面固定，其中活塞下部与套筒(12)的内孔滑动配合，套筒(12)底部与所述支撑座(9)顶面固定；所述套筒(12)底部的开口与软管(13)的一端相连，该软管的另一端具有两根支管，其中一根支管上接有单向阀(14)，另外一根支管上接有限流阀(15)，且这两根支管均与液槽(16)底部的液体过孔连通；所述液槽(16)内装有液体，该液槽上部滑动配合有一个所述压缩块(17)，当向下压压缩块(17)时，将液槽(16)内的液体压向套筒(12)内，从而推动培养皿(5)升高；

所述铁芯(11)的下部插入线圈(18)内，该线圈竖直安装在所述支撑座(9)顶面，该线圈(18)与数据采集电路电连接，且数据采集电路能计算出铁芯(11)的位移量；所述力敏传感器(2)和数据采集电路的计算数据均输入给计算机，并由计算机根据输入数据绘制出U-L曲线，其中U为力敏传感器(2)的数据，L为吊环(1)与培养皿(5)内液体液面的相对位移量；

所述培养皿(5)内的待测试液体表面悬浮有一块薄片(20)，该薄片(20)的直径小于所述吊环(1)的内径；所述外罩(8)与支撑座(9)均为矩形结构；所述支架(3)为“十”字形结构，且所述力敏传感器(2)安装在水平段上。

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