CN2629028Y - 液体表面张力系数测量仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种液体表面张力系数测量仪，主要由测试皿、插板、平行光束和可平行移动的CCD光接收器组成，插板插置在测试皿内待测液中，CCD光接收器设置在测试皿上方，平行可见光束与CCD光接收器呈平行状照射在待测液面上。本实用新型实现了固液表面张力系数通过测长取代测接触角度进行测量γ值，测试更方便，测得结果更准确。倘若将该装置与单片机联接，还可通过单片机直接采集数据，并处理数据，实现数显直读、在线监测、智能处理的功效。

Description

液体表面张力系数测量仪

技术领域

本实用新型涉及一种液体表面张力系数测量仪。

背景技术

液体表面张力系数是界面物理领域一个重要的化学参数，若干涉及界面的化工生产都需测量这一参数。然而目前测液体表面张力系数的方法为吊环或吊片拉脱法、毛细管或插板弯月面法、液滴滴落瞬间临界法等等，各有其长。而用两垂直玻璃板测液体的表面张力系数的方法，在理论上和实验中也有许多报道。但传统测量方法均系手工操作，速度缓慢，人的主观因素对结果影响也大，特别是需通过运算或查表，不能数显直读，极为不便。为此，本发明人经长期探索，终于研制出这个从原理到结构全新的一种数显直读测量仪器。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种液体表面张力系数测量仪，其具有测试方便、结果准确的功效。

为实现上述目的，本实用新型的解决方案是：

液体表面张力系数测量仪，主要由测试皿、插板、平行光束和可平行移动的CCD光接收器组成，插板插置在测试皿内待测液中，CCD光接收器设置在测试皿上方，平行光束与CCD光接收器呈平行状照射在待测液面上。

其中，上述平行光束是由激光二极管发出的光经准直透镜和光阑而形成平行激光束。

上述CCD光接收器由单片机给定信号驱动电机带动做平行移动。

上述插板和CCD光接收器垂直于在测试皿中待测液面，平行光束平行于CCD光接收器呈垂直状照射在待测液面上。

采用上述结构后，本实用新型将插板插入待测液体中，由于液体的浸润和固液相界面表面张力的存在，在插板和液面的界面处形成一弯月面液面，如果平板的宽度和弯月面的高度相比足够宽时，可以认为是柱状弯月面，平行光束照射在弯月面上并产生反射，根据Young——Laplace方程可以推导出液体表面张力系数：

$\mathrm{\γ}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{y}g{(x_2-x_1)}^2}{[-\ln (\mathrm{tg}{\mathrm{\φ}}_2/4)-2\cos {\mathrm{\φ}}_2/2+\ln (\mathrm{tg}{\mathrm{\φ}}_1/4)+2\cos {\mathrm{\φ}}_1/2{]}^2}---\left(1\right)$

式中φ₁、φ₂为弯月面上与X₁、X₂相对应的液体表面法线对入射光的倾角；为p_y为液体的密度；g为重力加速度；采用平行激光束入射待测液面的弯月面，平行激光束宽度d＝X₂-X₁，则以φ₁、φ₂表示激光束两边缘在X₁和X₂处的入射角，根据几何光学，液体表面的反射光为会聚光，若分别在平行移动的CCD光接收器上接收光信号，再通过三角函数运算则可以算出φ₁、φ₂，从而计算出相应的γ值，实现以线性长度取代接触角测量液固相表面张力，即以便于测量的长度取代不便于测量的角度，测量的精度及方便程度大大得到提高，达到测试更方便、测得结果更准确的功效。倘若将该装置与单片机联接，还可通过单片机直接采集数据，并处理数据，实现数显直读、在线监测、智能处理的功效。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型的测量原理图；

图3是本实用新型数据处理原理图；

图4是本实用新型数据处理方框图；

图5是改变d的测量误差曲线；

图6是改变L的测量误差曲线；

图7是L，d，ΔY测量精度对系统误差的影响。

具体实施方式

本实用新型揭示的液体表面张力系数测量仪，如图1所示，主要由测试皿1、插板2、平行光束3和可平行移动的CCD光接收器4组成。插板2插置在测试皿1内待测液中，CCD光接收器4设置在测试皿1，平行可见光束3与CCD光接收器4呈平行状照射在待测液面上。

本实用新型的最佳实施例是：插板2和CCD光接收器4垂直于在测试皿1中待测液面，平行光束3平行于CCD光接收器4呈垂直状照射在待测液面上。

平行光束3是由激光二极管31发出的光经准直透镜32和光阑33而形成平行激光束。

CCD光接收器4由单片机给定信号驱动电机带动做平行移动。

本实用新型的基本测量原理：

如图2所示，将一固体插板2垂直插入待测液体中，由于液体的浸润和固液相界面表面张力的存在，在插板2和液面的界面处形成一弯月面。如果插板2的宽度和弯月面的高度相比足够宽时，可以认为是柱状弯月面，根据Young——Laplace方程可以推导出液体表面张力系数：

$\mathrm{\γ}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{y}g{(x_2-x_1)}^2}{{\[-\ln (\mathrm{tg}{\mathrm{\φ}}_2/4)-2\cos {\mathrm{\φ}}_2/2+\ln (\mathrm{tg}{\mathrm{\φ}}_1/4)+2\cos {\mathrm{\φ}}_1/2\]}^2}---\left(1\right)$

式中φ₁、φ₂为弯月面上与X₁、X₂相对应的液体表面法线对铅垂线的倾角；为p_y为液体的密度；g为重力加速度。

采用平行激光束垂直入射弯月面，令激光束宽度d＝X₁-X₂，则以φ₁、φ₂表示激光束两边缘在X₁和X₂处的入射角，根据几何光学，液体表面的反射光为会聚光，若分别在竖直平面S1和S2上接收光信号，则有如下关系：

$\∠\mathrm{BAC}=2{\mathrm{\φ}}_2=\mathrm{arctg}\left(\frac{\mathrm{BC}}{\mathrm{AC}}\right)=\mathrm{arctg}\left(\frac{\mathrm{BC}}{{\mathrm{AC}}^{\′}-{\mathrm{BB}}^{\′}}\right)$

$\∠B^{\′}{A}^{\′}{C}^{\′}=2{\mathrm{\φ}}_1=\mathrm{arctg}\left(\frac{B^{\′}{C}^{\′}}{A^{\′}{C}^{\′}}\right)=\mathrm{arctg}\left(\frac{\mathrm{BC}}{A^{\′}{C}^{\′}}\right)$

令L＝BC＝B’C’；ΔY2＝AC’-BB’；ΔY1＝A’C’可得

${\mathrm{\φ}}_2=\frac{1}{2}\mathrm{arctg}\left(\frac{L}{{\mathrm{\ΔY}}_2}\right)---\left(2\right)$

${\mathrm{\φ}}_1=\frac{1}{2}\mathrm{arctg}\left(\frac{L}{\mathrm{\Δ}{Y}_1}\right)$

于是测得L、ΔY1、ΔY2，就等于测到φ₁、φ₂角度，也就可通过(1)式计算得出相应的γ值，即实现固液表面张力系数通过测长取代测接触角度进行测量。

本实用新型数据测量方案：

以半导体激光器、线阵CCD检测器和单片机实现上述测量。测量装置如图1所示，原理如图2所示，平行激光束由激光二极管31、准直透镜32和刀口狭缝光阑33得到，因狭缝光阑33宽度d＞＞λ(激光波长)，即光阑33本身的宽度为十分之几的毫米量级，且光阑33到液面的距离为厘米量级，所以光的衍射可忽略不计。线阵CCD光接收器4可水平移动，移动距离L由长光栅传感器读出，液体弯月面的反射光由线阵CCD接收器4接收，读出Y方向的ΔY2和ΔY1：当CCD在内侧位置时，CCD接收到的光斑两边沿分别为ΔY2和ΔY1的起始坐标；CCD移动到外侧位置时，接收到的光斑两边沿则为ΔY2和ΔY1的终了坐标。具体作法，配合图3、4所示：

1、调节有固、液被测弯月面的测量皿1，到以激光源光束定位的固定位置——光束射到弯月面，并被反射到接收器上；

2、以光阑33d为输入，通过单片机决定先后两次激光被弯月面反射到接收器的位置，既移动距离L；

3、通过两次在接收器上激光反射区的检测就能得知ΔY1及ΔY2；

4、上述L、ΔY1、ΔY2由单片机已固化的式(1)的数学模型计算得出γ。

图3是以MC-8051单片机为核心构成数据处理的基本原理。

运用本实用新型测量的误差分析：

此方法中的被测量均为相对测量值，避免了绝对零点误差。相关被测量是：刀口狭缝光阑33宽度d、CCD激光接收器4在X方向移动距离L、CCD激光接收器4接收光信号Y方向的相对变化量ΔY2、ΔY1。

参数设计选择了合适的刀口狭缝光阑33宽度d，CCD激光接收器4在X方向的移动距离L，和最佳接收角度φ₁、φ₂(也就是选择激光束垂直入射弯月面的位置x1、x2)，使测量误差最小。以水的表面张力系数测量为例：20℃时水的表面张力系统γ＝72.75mN/m，水的密度p_y＝1000kgm^-3，设刀口狭缝宽度d的测量误差|Δd|＝0.005mm，长光栅测量CCD在X方向的移动距离L的测量误差|ΔL|＝0.01mm，CCD测量ΔY2、ΔY1的测量误差|Δ(ΔY1)|＝|Δ(ΔY2)|＝0.008mm。

根据(1)、(2)式，测量系统最大总误差(绝对误差)为：

$\mathrm{\Δ\γ}$ $=$ $|$ $\frac{\∂\mathrm{\γ}}{\∂d}\mathrm{\Δd}\text{|+|}\frac{\∂\mathrm{\γ}}{\∂\mathrm{\φ}1}\text{\Δ\φ1|+|}\frac{\∂\mathrm{\γ}}{\∂\mathrm{\φ}2}\mathrm{\Δ\φ}2|---\left(3\right)$

$=\left|\frac{\∂\mathrm{\γ}}{\∂d}\mathrm{\Δd}\right|+\left|\frac{\∂\mathrm{\γ}}{\∂\mathrm{\φ}1}\left(\right|\frac{\∂\mathrm{\φ}1}{\∂L}\mathrm{\ΔL}|+|\frac{\∂\mathrm{\φ}1}{\∂\mathrm{\ΔY}1}\mathrm{\Δ}\left(\mathrm{\ΔY}1\right)\left|\right)\right|+\left|\frac{\∂\mathrm{\γ}}{\∂\mathrm{\φ}2}\left(\right|\frac{\∂\mathrm{\φ}2}{\∂L}\mathrm{\ΔL}|+|\frac{\∂\mathrm{\φ}2}{\∂\mathrm{\ΔY}2}\mathrm{\Δ}\left(\mathrm{\ΔY}2\right)\left|\right)\right|$

图5是保持d、Y2不变，改变L的γ测量误差曲线。计算参数：d＝0.3mm，ΔY2＝3mm。由图中可见：L越大，测量误差越小，当L＞8mm后误差变化较小，所以可选择CCD在X方向的移动距离L＝10mm。

图6是保持L、Y2不变，改变d的γ测量误差曲线。计算参数：L＝10mm，ΔY2＝3mm。由图中可见：d越大，测量误差越大，所以应尽量减小刀口狭缝宽度d。但d太小，光的衍射效应就不能忽略，会引起更大误差，可选择d＝0.2mm(＞＞激光波长λ)。

图5是L、d、ΔY的测量误差与γ的测量误差关系曲线。计算参数：L＝10mm，d＝0.3mm，ΔY2＝3mm。由图中可见，d的测量误差对系统误差影响最大，所以应尽量减小其加工误差和测量误差(≤0.002mm)。

本实用新型利用半导体激光器(平行光源)、线阵CCD器件(Y坐标测量)、长光栅传感器(X坐标测量)及单片机技术(数据处理和控制)，进行液体表面张力系数的快速直读测量时，其测量精度可达0.3×10^-3Nm^-1。

Claims (4)

1、液体表面张力系数测量仪，其特征在于：主要由测试皿、插板、平行光束和可平行移动的CCD光接收器组成，插板插置在测试皿内待测液中，CCD光接收器设置在测试皿上方，平行光束与CCD光接收器呈平行状照射在待测液面上。

2、如权利要求1所述的液体表面张力系数测量仪，其特征在于：平行光束是由激光二极管发出的光经准直透镜和光阑而形成平行激光束。

3、如权利要求1所述的液体表面张力系数测量仪，其特征在于：CCD光接收器由单片机给定信号驱动电机带动做平行移动。

4、如权利要求1所述的液体表面张力系数测量仪，其特征在于：插板和CCD光接收器垂直于在测试皿中待测液面，平行光束平行于CCD光接收器呈垂直状照射在待测液面上。

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