TWI413764B - Apparatus for measuring surface tension and method thereof - Google Patents

Description

測量表面張力之裝置及其方法

本發明係有關於一種測量裝置，尤其是指一種測量表面張力之裝置及其方法。

表面張力是物質分子間吸引力的一種宏觀表現。在日常生活中有許多與表面張力有關的現象，譬如毛細管中液體的上升或下降、水珠會以球形存在、自來水筆的墨水不會因地心引力而滴出等。在工業技術中有許多與表面張力有關的應用，譬如液體密封、旋轉塗佈、印表機噴墨及表面潤濕等。

由於表面張力現象與應用隨處可見，表面張力的測量已在產業、學術及研究等機構扮演著重要的角色。目前表面張力測定技術大多數係使用接觸角測量儀器，主要設備包含：機台、定焦鏡頭、攝影機、背光組件、電腦及演算套裝軟體，同時搭配液滴介面的力平衡方程式，將獲知的接觸角量測值、氣液表面張力預測值及氣固表面張力計算值代入張力平衡關係式，即可決定待測液體的固液表面張力(或簡稱表面張力)，但是用此方法測量表面張力時，則會產生測定時間長、佔用空間大、儀器成本高與操作複雜度高等缺點。

如台灣專利第200928343號表面張力測定技術係由U型 連接管組連通一內置一待測液體的容器與一垂直細管。必須先定位細管出口於容器的水平相對位置，緊接著注入待測液體至容器內，當細管出口形成一半球液滴時，量測容器內液面相較於細管水平相對位置的上升高度，在忽略液滴重力效應的情形下，將獲知的量測值代入由壓力平衡原理所推導的關係式，即可決定待測液體的表面張力，然而，前案則會因細管長度、細管定位及液滴重力而影響到量測精確度，進而使得量測誤差值變高，同時產生佔用空間大、儀器成本高與操作複雜度變高等缺點。

除此之外，由於表面張力為一重要的物理現象，因此，了解表面張力成因並且測量表面張力大小是基礎科學教育中的重要課程，然而因目前的表面張力測量儀大多較為貴重、攜帶不便且測量方法複雜，不利於一般生活或上課教學使用，因此，如何解決上述缺點為現今最重要的課題。

因此，本發明即在針對上述問題而提出一種測量表面張力之裝置及其方法，不僅可改善上述習用缺點，又可降低測定時間、佔用空間、儀器成本、量測誤差值及操作複雜度，以解決上述問題。

本發明之目的，在於提供一種測量表面張力之裝置及其方法，其藉由待測液體於孔洞形成一液滴而測得表面張力，以達到降低測定時間、佔用空間、儀器成本、量測誤差值及操作複雜度之目的。

本發明測量表面張力之裝置及其方法，其包含一容器與一孔洞，將待測液體存放於容器內，並在容器的一壁面上設置孔洞，當待測液體於孔洞形成一液滴時，該待測液體之表面張力相關於該容器之內部氣壓與外部氣壓和該待測液體位於該容器之高度。

此外，本發明測量表面張力之裝置及其方法，更包含一刻度，其設置於容器之一側壁，以量測待測液體於容器內升高的高度。

此外，本發明測量表面張力之裝置及其方法，更包含一液滴偵測儀、一水位計、至少一壓力計與一微處理器，液滴偵測儀偵測液滴形成於孔洞之形狀，水位計偵測待測液體於容器之高度，壓力計偵測容器之內部氣壓和外部氣壓，微處理器依據測得的待測液體高度與內部氣壓和外部氣壓求得待測液體的表面張力。

12‧‧‧容器

14‧‧‧孔洞

16‧‧‧待測液體

18‧‧‧液滴

19‧‧‧刻度

20‧‧‧液滴偵測儀

22‧‧‧水位計

24‧‧‧壓力計

26‧‧‧微處理器

28‧‧‧顯示器

第一A圖係本發明量測表面張力之裝置及其方法之一較佳實施例的示意圖；第一B圖係本發明量測表面張力之裝置及其方法之一較佳實施例液滴的示意圖；第二圖係本發明量測表面張力之裝置及其方法之另一較佳實施例的示意圖；第三圖係本發明量測表面張力之裝置及其方法之另一較佳實施例的示意圖；以及 第四圖係本發明量測表面張力之裝置及其方法之另一較佳實施例的示意圖。

茲為使 貴審查委員對本發明之技術特徵及所達成之功效有更進一步之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施例圖及配合詳細之說明，說明如後：首先，請一併參閱第一A圖與第一B圖，係本發明量測表面張力之裝置及其方法之一較佳實施例的示意圖與液滴的示意圖。如圖所示，本發明量測表面張力之裝置包含一容器12與一孔洞14，待測液體16存放於容器12，且容器12設置有孔洞14，孔洞14設置於容器12之一壁面上，當待測液體16持續加入於容器12時，孔洞14則會慢慢形成一液滴18，其藉由控制容器12內待測液體16的高低，使得待測液體16在孔洞14出口形成一半球液滴，如此，測量待測液體16於容器12上升的高度，即可決定待測液體16的表面張力，因此，降低測定時間、佔用空間、儀器成本及操作複雜度。本發明量測表面張力之裝置之液滴18之一較佳實施例為半球狀。本發明更可固定容器12內之待測液體16位於容器12之高度，改變內外氣壓差來量測所形成液滴的表面張力。

複參閱第一A圖，本發明測量表面張力之裝置之容器12為存放待測液體16的容器，並於容器12之壁面上設置孔洞14。當容器12內待測液體16的液面稍高於孔洞14的出口位置時，此時即可發現待測液體16在孔洞14出口形成液滴18，若持續 且小心控制待測液體16之液面上升的高度或容器內外的氣壓差，即可使得液滴18呈現半球狀。此時液滴18在與垂直成θ角方向所受的表面張力值為最大(如第一B圖所示)。此刻任何內部液壓的增加，便會把這液滴18擠出孔洞14(但液滴18未必完全脫離孔洞14)，此時量測容器12之內部氣壓與外部氣壓和待測液體16位於容器12之高度即可得知一表面張力。

複參閱第一B圖，如圖所示，液滴18與垂直成θ角方向所受的力有：內部液壓力強度F_hi=p_i(πR²)、外部氣壓力強度F_ho=p_out(πR²)、重力強度Wcosθ=γ(2πR³/3)cosθ及表面張力強度T=σ(2πR)。其中R為圓形孔洞口徑，γ為液體比重量，p_out為外部氣壓，p_i為內部液壓，σ為表面張力。由於R值夠小，內部液壓p_i值可視為一常數值γh+p_in，其中p_in為內部氣壓。藉由液滴力平衡原理(T+F_ho=F_hi+Wcosθ)，可推導如下關係式： 量測此刻上升的高度h(若已知p_in-p_out值)或容器12內外氣壓差p_in-p_out(若已知h值)並且將獲知的量測值代入(1)式，即可決定待測液體16的表面張力。

由於(1)式的推導過程，是考慮液滴18在重力場下與壁面垂直方向的力平衡，因此並無接觸角量測(表面張力方向與 壁面水平方向的夾角量測)與液滴18重力影響量測精確度的問題。再者，孔洞位於壁面上，因此並無細管定位影響量測精確度的問題。儀器本身並未使用細管，因此並無細管長度影響量測精確度的問題。此外，由毛細現象得知，毛細作用與待側液體16的液面大小成反比，因此待側液體16的液面大小越大，則毛細作用越小，亦即量測精確度越高，且由(1)式得知待側液體16之高度、氣壓差與孔洞14之口徑成反比，因此孔洞14之口徑越小，則可判讀的待側液體16之高度與氣壓差值越大，亦即量測精準率越高。

請參閱第二圖，係本發明量測表面張力之裝置及其方法之另一較佳實施例的示意圖。如圖所示，本發明量測表面張力之裝置更包含一刻度19，其設置於容器12之一邊，以量測待測液體16於容器12的上升高度，因具有刻度19，所以可簡易判讀待測液體16於容器12的上升高度，以降低儀器成本並減少操作複雜度。

請參閱第三圖，係本發明量測表面張力之裝置及其方法之另一較佳實施例的示意圖。如圖所示，本實施例不同於上一實施例在於本實施例更包含一液滴偵測儀20、一水位計22、至少一壓力計24與一微處理器26，液滴偵測儀20偵測容器12之孔洞14形成的液滴18，以偵測液滴18之大小，水位計22偵測待測液體16於容器12之高度，壓力計24偵測容器12之內部氣壓和外部氣壓，當液滴偵測儀20偵測到液滴18以呈現半球狀時，水位計22即會開始偵測待側液體16於容器12的高度 ，壓力計24也一併的偵測容器12的內部氣壓和外部氣壓，並分別將偵測出來的高度與壓力傳送至微處理器26計算以求得液滴18之表面張力，並顯示於顯示器28上方。

請參閱第四圖，係本發明量測表面張力之裝置及其方法之另一較佳實施例的示意圖。如圖所示，本實施例不同於第一圖實施例在於本實施例之容器12形狀為方形，因此本發明測量表面張力之裝置及其方法之容器12不限於任何形狀，只需在容器12之壁面上設置孔洞14，測量形成於孔洞14表面的液滴18，上述實施方式僅為本發明之一較佳實施例，並不侷限本發明之實施例僅為上述方式。

綜上所述，本發明為測量表面張力之裝置及其方法，其包含容器與孔洞，待測液體存放於容器內，且容器之壁面上設有孔洞，以讓待測液體於孔洞形成液滴，如此利用待測液體之表面張力相關於容器之內部氣壓與外部氣壓和待測液體位於容器之高度之原理，即可測量液滴的表面張力，以達到降低測定時間、佔用空間、儀器成本、量測誤差值及操作複雜度，且使用者僅需透過簡易的操作，即可決定待測液體的表面張力之目的。

故本發明實為一具有新穎性、進步性及可供產業上利用者，應符合我國專利法專利申請要件無疑，爰依法提出發明專利申請，祈鈞局早日賜准專利，至感為禱。

惟以上所述者，僅為本發明一較佳實施例而已，並非用 來限定本發明實施之範圍，故舉凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。

12‧‧‧容器

14‧‧‧孔洞

16‧‧‧待測液體

18‧‧‧液滴

Claims (10)

1. 一種測量表面張力之裝置，其包含有：一容器，容器內置一待測液體；以及一孔洞，設置於該容器之一壁面上，該待測液體於該孔洞形成一液滴；其中該待測液體之表面張力相關於該容器之一內部氣壓與一外部氣壓和該待測液體位於該容器之高度。
2. 如申請專利範圍第1項所述之測量表面張力之裝置，其中該待測液體之表面張力更相關於該待測液體之重力。
3. 如申請專利範圍第1項所述之測量表面張力之裝置，其中該容器更包含：一刻度，其設置於該容器之一側壁，以測量該待測液體位於該容器之高度。
4. 如申請專利範圍第1項所述之測量表面張力之裝置，其中該液滴為半球狀。
5. 如申請專利範圍第1項所述之測量表面張力之裝置，其中更包含：一液滴偵測儀，偵測該液滴形成於該孔洞之形狀；一水位計，偵測該待測液體於該容器之高度；至少一壓力計，偵測該容器之該內部氣壓和該外部氣壓；以及一微處理器，依據測得的該待測液體高度與該內部氣壓和該 外部氣壓以求得該待測液體的該表面張力。
6. 一種測量表面張力方法，其包含有：提供一容器，且該容器之該壁面上具有一孔洞；存放一待測液體於該容器，該待測液體於該孔洞形成一液滴；以及依據該容器之該內部氣壓與該外部氣壓和該待測液體位於該容器之高度測得該表面張力。
7. 如申請專利範圍第6項所述之測量表面張力方法，其中於依據該容器之該內部氣壓與該外部氣壓和該待測液體位於該容器之高度測得該表面張力之一步驟，更包含：依據該重力測得該表面液體。
8. 如申請專利範圍第7項所述之測量表面張力方法，其中於存放一待測液體於該容器之步驟，更包含一步驟：測量該待測液體於該容器之高度。
9. 如申請專利範圍第7項所述之測量表面張力方法，其中該液滴為半球狀。
10. 如申請專利範圍第7項所述之測量表面張力方法，其中於測量該待測液體於該容器之高度之步驟，更包含一步驟：偵測該液滴於該孔洞之形狀。