CN110736684A - 一种液体表面张力系数及密度同步测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液体表面张力系数及密度同步测量装置及方法。测量装置包括恒温室和控制显示区，的四周壁面有温度传感器、上壁面装有高精度力传感器。恒温室内放置金属环、进液管、出液管、缓冲底座、烧杯。烧杯壁面装有液位传感器。控制显示区包括有力传感器显示屏、采样频率设置按钮、暂停/开始按钮、清除按钮、排液流速显示屏、进液流速显示屏、排液流速控制按钮、进液流速控制按钮、温度显示屏、液位显示屏。控制显示区侧面有USB数据口。本发明通过分析高精度力传感器采集到的数据，提出数学模型，利用拟合软件拟合采集到的数据，同时得到了待测液体的表面张力系数及密度。

Description

一种液体表面张力系数及密度同步测量装置及方法

技术领域

本发明涉及物理实验测量装置及方法，具体涉及一种液体表面张力系数及密度同步测量装置及方法。

背景技术

液体表面张力是由液体表面层内液体分子受力不平衡引起的，即液体表面层内分子受到了一个指向液体内部的合力作用，使得液体表面具有自动收缩的趋势。液体表面张力系数是液体表面物理性质的一个重要参数。表面张力系数测量常用的方法有拉脱法、静滴法、旋转液滴法、等密度法和毛细管上升法等。

密度是鉴别组成物体的材料、计算物体中所含各种物质的成分、计算液体内部压强以及测量浮力等过程中所需要的一个重要参数。密度测量根据其测量原理可以分为直接测量方法和间接测量方法。其中直接测量法主要有密度瓶法、密度计法、液体静力天平法等，而间接测量方法包括振动法、射线法和声学法等。

通过对金属环在拉脱过程中受力分析，建立数学模型，提出一种表面张力系数及液体密度同步测量方法，通过一次取样实现两个物理量同步测量，缩减所需时间，提高了测量效率。

发明内容

一种液体表面张力系数及密度同步测量装置包括恒温室区和控制显示区两部分。恒温室的四周壁面有温度传感器、上壁面装有高精度力传感器；恒温室内放置金属环、进液管、出液管、缓冲底座、烧杯。烧杯壁面装有液位传感器。控制显示区包括有力传感器显示屏、采样频率设置按钮、暂停/开始按钮、清除按钮、排液流速显示屏、进液流速显示屏、排液流速控制按钮、进液流速控制按钮、温度显示屏、液位显示屏。控制显示区侧面有USB数据口。

一种液体表面张力系数及密度同步测量方法步骤如下：

打开恒温室，将烧杯放在缓冲底座上，使烧杯减少长时间的晃动；接通测量装置电源，待力传感器显示屏、排液流速显示屏、进液流速显示屏、温度显示屏、液位显示屏正常工作后按下清除按钮，使高精度力传感器清零；调节进液流速控制按钮使待测液体沿烧杯壁面流入，此时避免流速过大进液柱碰到金属环；通过观察待测液体液面及液位显示屏确定待测液体完全浸没金属环后，调节进液流速控制按钮停止向烧杯内注液，静置，观察力传感器显示屏、温度显示屏、液位显示屏示数；上述示数稳定后调节排液流速控制按钮，待测液体流出，液面渐渐下降；此时调节采样频率设置按钮，使能在力传感器显示屏上清晰观察到信号变化，此时注意调节好后要保持采样频率不变；然后按下暂停/开始按钮，开始记录数据。此时力传感器显示屏显示高精度力传感器测量到拉力F值随时间t变化曲线，待金属环拉断待测液体液膜后按下暂停/开始按钮，关闭排液流速控制按钮。将数据从USB数据口导出，输入到计算机，画出拉力F随时间t变化曲线，建立数学模型、使用拟合软件拟合两个阶段曲线；通过拟合结果计算待测液体的表面张力系数及密度。

一种液体表面张力系数及密度同步测量方法，建立密度测量拟合方程为：

F＝at+b (1)

式中：F为高精度力传感器测量数值，具体为金属环所受浮力与重力的合力，t为测量时间，a，b为拟合系数。

待测液体密度计算公式为：

式中：ρ为待测液体密度，g为重力加速度，D1，D2为金属环内外直径，π为圆周率，s为液面下降速度。

一种液体表面张力系数及密度同步测量方法，建立表面张力系数测量拟合方程为：

F＝g+f×sin(e^ct+d) (3)

式中：F为高精度力传感器测量数值，具体为所受表面张力与金属环重力的合力，t为测量时间，e为自然指数，c,d,f,g为拟合系数。

待测液体表面张力系数计算公式为：

式中：α为表面张力系数，π为圆周率，D1，D2为金属环内外直径。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明一种液体表面张力系数及密度同步测量装置及方法，装置结构简单，易于加工制造，且通过显示屏实时观测实验过程受力变化，可帮助使用者深入理解物理原理。该装置及方法，原理简单，只需要测量出金属环收到的拉力随时间的变化，再根据建立的物理模型对其进行拟合，通过拟合系数就可同时得到待测液体的密度与表面张力系数。与单独测量密度或表面张力系数的装置及方法相比，节约了测量时间，减少了成本。

下面通过附图和实施例,对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明：

图1所示为本发明一种液体表面张力系数及密度同步测量方法的结构示意图。

图2所示为本发明的数据采集图。

图1中，1.恒温室 2.温度传感器 3.高精度力传感器 4.金属环 5.进液管 6.出液管 7. 缓冲底座 8.烧杯 9.液位传感器 10.控制显示区 11.力传感器显示 12.采样频率设置按钮 13.暂停/开始按钮 14.清除按钮 15.排液流速显示屏 16.进液流速显示屏 17.排液流速控制按钮 18.进液流速控制按钮 19.温度显示屏 20.液位显示屏 21.USB数据口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明：

如图1示，液体表面张力系数及密度同步测量装置包括恒温室1和控制显示区10，恒温室1四周壁面有温度传感器2、上壁面装有高精度力传感器3；恒温室1内放置金属环4、进液管5、出液管6、缓冲底座7、烧杯8；烧杯8壁面装有液位传感器9。控制显示区10包括有力传感器显示屏11、采样频率设置按钮12、暂停/开始按钮13、清除按钮14、排液流速显示屏15、进液流速显示屏16、排液流速控制按钮17、进液流速控制按钮18、温度显示屏 19、液位显示屏20，控制显示区10侧面USB数据口21。

液体表面张力系数及密度同步测量方法的步骤如下：

1)打开恒温室1，将烧杯8放在缓冲底座7上，使烧杯8减少长时间的晃动，接通测量装置电源。待力传感器显示屏11、排液流速显示屏15、进液流速显示屏16、温度显示屏19、液位显示屏20正常工作后按下清除按钮14，是使高精度力传感器3清零；调节进液流速控制按钮18使待测液体沿烧杯8壁面流入，此时避免流速过大进液柱碰到金属环4；通过观察待测液体液面及液位显示屏20确定待测液体完全浸没金属环4后通过调节进液流速控制按钮18停止向烧杯8内注液，静置，观察力传感器显示屏11、温度显示屏19、液位显示屏20 示数；

2)上述示数稳定后调节排液流速控制按钮17，待测液体流出，液面渐渐下降，此时调节采样频率设置按钮12，使能在力传感器显示屏11上清晰观察到信号变化，此时注意调节好后要保持采样频率不变，然后按下暂停/开始按钮13，开始记录数据。此时力传感器显示屏 11显示高精度力传感器3测量到拉力F值随时间t变化曲线，待金属环4拉断待测液体液膜后按下暂停/开始按钮13，关闭排液流速控制按钮17。

3)将数据从USB数据口21导出，输入到计算机，画出拉力F随时间t变化曲线，如图2所示，可将整个实验过程采集的曲线分成两段即A-B段和B-D段，其中A-B段拉力变化是由金属环所受待测液体浮力变化引起，B-D段是由待测液体表面张力变化引起，建立数学模型、使用拟合软件拟合两个阶段曲线；

拟合过程中A-B段拉力F的拟合数学表达式为：F＝at+b (1)

B-D段拉力F的拟合数学表达式为：F＝g+f×sin(e^ct+d) (3)

4)通过拟合得到的系数a,f计算待测液体的密度及表面张力系数,得到待测液体密度ρ与表面张力系数α，其中

式中：ρ为待测液体密度，g为重力加速度,α为表面张力系数，D1，D2为金属环内外直径，π为圆周率，s为液面下降速度a,b,c,d,f,g为拟合系数。

虽然以上述较佳的实施例对本发明做出了详细的描述,但并非用上述实施例限定本发明。本领域的技术人员应当意识到在不脱离本发明技术方案所给出的技术特征和范围的情况下, 对技术特征所作的增加、以本领域一些同样内容的替换,均应属本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种液体表面张力系数及密度同步测量装置，包括恒温室与控制显示区；其特征在于，还包括恒温室四周壁面有温度传感器、上壁面装有高精度力传感器；恒温室内放置金属环、进液管、出液管、缓冲底座、烧杯；烧杯壁面装有液位传感器。控制显示区包括有力传感器显示屏、采样频率设置按钮、暂停/开始按钮、清除按钮、排液流速显示屏、进液流速显示屏、排液流速控制按钮、进液流速控制按钮、温度显示屏、液位显示屏；控制显示区侧面USB数据口。

2.一种使用如权利要求1所述测量装置的液体表面张力系数及密度同步测量方法，其特征在于它的步骤如下：

1)打开恒温室，将烧杯放在缓冲底座上，使烧杯减少长时间的晃动；接通测量装置电源，待力传感器显示屏、排液流速显示屏、进液流速显示屏、温度显示屏、液位显示屏正常工作后按下清除按钮，使高精度力传感器清零；调节进液流速控制按钮使待测液体沿烧杯壁面流入，此时避免流速过大进液柱碰到金属环；通过观察待测液体液面及液位显示屏确定待测液体完全浸没金属环后，调节进液流速控制按钮停止向烧杯内注液，静置，观察力传感器显示屏、温度显示屏、液位显示屏示数；

2)上述示数稳定后调节排液流速控制按钮，待测液体流出，液面渐渐下降；此时调节采样频率设置按钮，使能在力传感器显示屏上清晰观察到信号变化，此时注意调节好后要保持采样频率不变；然后按下暂停/开始按钮，开始记录数据。此时力传感器显示屏显示高精度力传感器测量到拉力F值随时间t变化曲线，待金属环拉断待测液体液膜后按下暂停/开始按钮，关闭排液流速控制按钮。将数据从USB数据口导出，输入到计算机，画出拉力F随时间t变化曲线，建立数学模型、使用拟合软件拟合两个阶段曲线。

3.一种如权利要求2所述的液体表面张力系数及密度同步测量方法，其特征在于所述的建立密度测量拟合方程为：

F＝at+b (1)

待测液体密度计算公式为：

式中：F为高精度力传感器测量数值，具体为金属环所受浮力与重力的合力，t为测量时间，a，b为拟合系数。

4.一种如权利要求2所述的液体表面张力系数及密度同步测量方法，其特征在于所述的建立表面张力系数测量拟合方程为：

F＝g+f×sin(e^ct+d) (3)

待测液体表面张力系数计算公式为：

式中：F为高精度力传感器测量数值，具体为所受表面张力与金属环重力的合力，t为测量时间，e为自然指数，c,d,f,g为拟合系数。

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