常溫液體表面張力快速測(cè)定

吳易偉

(株洲九方裝備股份有限公司,湖南株洲 430200)

1 引言

表面張力是常溫的基本物理屬性,在許多方面反映了常溫液體的性質(zhì),研究常溫液體的表面張力快速檢測(cè)方法,對(duì)于人們?nèi)粘５纳a(chǎn)生活有重要的意義[1～4]。迅速地檢測(cè)出常溫液體的表面張力及其變化,可以快速地得出液體情況,例如牛奶是否變質(zhì)等。液體表面張力檢測(cè)正在引起人們的重視,經(jīng)過科研工作者多年研究與實(shí)踐,檢測(cè)方法較為完善并為人們所掌握。但隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步,對(duì)各類材料的性能提出了更高的要求,同時(shí)也為研究和開發(fā)先進(jìn)實(shí)用的材料質(zhì)量監(jiān)測(cè)手段提供了必要的手段。

2 氣泡幅頻當(dāng)量法

2.1 氣泡幅頻當(dāng)量法的原理

以往的表面張力測(cè)定方法所用設(shè)備相對(duì)復(fù)雜,且有操作煩瑣等缺點(diǎn),在最大氣泡壓力法[5]的基礎(chǔ)上提出的“氣泡幅頻當(dāng)量法”[6],其基本思想就是變靜力學(xué)測(cè)試為動(dòng)力學(xué)測(cè)試,將緩慢吹氣變?yōu)槊棵腌姶?～6個(gè)氣泡,同時(shí)不再測(cè)量泡內(nèi)最大絕對(duì)壓力,而改為測(cè)量氣泡內(nèi)相對(duì)氣壓差和每秒內(nèi)產(chǎn)生氣泡個(gè)數(shù)。該方法用氣泡壓力變化幅值 ΔP、氣泡個(gè)數(shù)N和毛細(xì)管管徑Φx與標(biāo)準(zhǔn)管徑Φ0之差3個(gè)參數(shù)經(jīng)數(shù)學(xué)模型計(jì)算后得到幅頻當(dāng)量,其數(shù)值的大小即表征了液體表面張力的大小,稱為當(dāng)量表面張力。

圖1 氣泡幅頻當(dāng)量法測(cè)定表面張力原理圖

2.2 氣泡幅頻當(dāng)量法中的參數(shù)關(guān)系

選定一個(gè)毛細(xì)管,用它向某一液體吹氣,如將其出氣速度固定,當(dāng)毛細(xì)管吹氣過程中插入深度發(fā)生變化時(shí),記錄的毛細(xì)管內(nèi)壓力變化如圖1曲線2所示。從圖中可以看出,當(dāng)毛細(xì)管插入深度由h2減為h3時(shí),對(duì)應(yīng)的氣泡壓力起始值也相應(yīng)的由P2減為P3,其數(shù)值與公式中ρghi相關(guān)。同時(shí)氣泡生成的周期T和氣泡內(nèi)壓力變化幅值P也將發(fā)生變化,其變化規(guī)律是,隨插入深度減小,P減小,T減小,但用P和T二參數(shù)適當(dāng)處理所形成的當(dāng)量(a×T+P×b)卻保持恒定。考慮到毛細(xì)管管徑對(duì)氣泡內(nèi)壓力幅值的影響,幅頻當(dāng)量即當(dāng)量表面張力可用下式求得:

式中a、b、c為修正系數(shù),T為氣泡生成的周期,ΔP為氣泡內(nèi)壓力變化幅值,φ0為毛細(xì)管標(biāo)準(zhǔn)管徑,φx為測(cè)量用毛細(xì)管管徑。該值只與被測(cè)液體本身性質(zhì)有關(guān),而與毛細(xì)管插入深度無關(guān),避免了最大氣泡壓力法對(duì)插入深度穩(wěn)定性的苛刻要求。由于當(dāng)毛細(xì)管內(nèi)徑2mm左右時(shí),氣泡內(nèi)壓力變化仍可出現(xiàn)等幅振蕩的特征,這又為制造內(nèi)徑相等的毛細(xì)管提供了極大的方便。為進(jìn)一步提高測(cè)試的精度,減小誤差,可以將深度固定,并同時(shí)計(jì)下在測(cè)試時(shí)間內(nèi)形成的氣泡個(gè)數(shù)N和泡壓幅值△P。在氣流量一定的條件下,氣泡個(gè)數(shù)越多,說明氣泡逸出所受到的阻力(2σ/r)越小。即△P越小。通過大量記錄△P和N的數(shù)值,經(jīng)過數(shù)據(jù)處理,即可計(jì)算出表面張力的大小,這就是氣泡幅頻當(dāng)量法。

3 表面張力快速測(cè)試試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)步驟

利用以“氣泡幅頻當(dāng)量法”為理論依據(jù)研制出的簡(jiǎn)易常溫液體表面張力快速測(cè)試裝置,在室溫下對(duì)水、酒精、肥皂水等常溫液體進(jìn)行了大量的模擬試驗(yàn),試驗(yàn)步驟如下。

(1)將常溫液體到入一尺寸合適的容器中(如燒杯等)。

(2)打開總電源和氣泵電源,并將氣路切換到測(cè)管徑狀態(tài)。

(3)裝上探頭(應(yīng)注意不要漏氣),按下自測(cè)鍵,從顯示器上讀出管徑的大小。

(4)將氣路切換到測(cè)表面張力狀態(tài),按下測(cè)試鍵。

(5)將探頭緩緩插入液體,當(dāng)聽到蜂鳴器發(fā)聲時(shí)保持探頭靜止不動(dòng)。蜂鳴器停止發(fā)聲后將探頭從液體中取出。

更換探頭或液體,重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟。在實(shí)驗(yàn)室條件下,對(duì)幾種不同常溫液體(水、油、肥皂水)分別做了實(shí)驗(yàn)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

在常溫條件下進(jìn)行了表面張力測(cè)試實(shí)驗(yàn)。測(cè)試時(shí)所用的毛細(xì)管內(nèi)徑約為1.7～2.5mm。利用儀器自檢功能檢測(cè)毛細(xì)管內(nèi)徑,利用測(cè)試功能測(cè)定固定時(shí)間內(nèi)所吹氣泡個(gè)數(shù)N以及氣泡內(nèi)最大壓差平均值△P,重復(fù)性較好。在采用同一內(nèi)徑的毛細(xì)管測(cè)量不同的液體時(shí),液體表面張力越大,氣泡幅值△P越大,氣泡個(gè)數(shù)N值越小;當(dāng)使用不同毛細(xì)管內(nèi)徑的探頭時(shí),△P值和N值也隨之改變。因此,為了適用不同內(nèi)徑毛細(xì)管測(cè)量,需要在模型中加入修正項(xiàng),其當(dāng)量表面張力可用下面公式計(jì)算測(cè)量:

式中a、b、c為修正系數(shù),T為氣泡生成的周期,ΔP為氣泡內(nèi)壓力變化幅值,φ0為毛細(xì)管標(biāo)準(zhǔn)管徑,φx為測(cè)量用毛細(xì)管管徑。利用簡(jiǎn)易裝置,通過對(duì)幾種常溫液體表面張力進(jìn)行的模擬實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明在規(guī)定的條件下,氣泡壓力曲線確實(shí)是一條等幅振蕩曲線。通過反復(fù)模擬實(shí)驗(yàn),得出如下結(jié)論。

(1)須對(duì)氣泡逸出的速度進(jìn)行控制。速度太快影響精度,太慢影響測(cè)試速度。因此進(jìn)氣量的大小即進(jìn)氣閥的開啟程度必須選擇合適,經(jīng)細(xì)心調(diào)節(jié)到適宜的速度后固定下來,否則將嚴(yán)重影響測(cè)試結(jié)果。

(2)在進(jìn)氣量大小一定的情況下,表面張力不同的介質(zhì)泡壓振幅有差別,其氣泡個(gè)數(shù)也不一樣,測(cè)試在同一管徑、同一進(jìn)氣量、同一室溫下進(jìn)行。表面張力越大,其氣泡壓力振幅越大。表面張力稍有變化,就可以在振幅上和個(gè)數(shù)上反映出來。這說明用壓力振幅歷來表征表面張力的方法具有較高的分辨率。

(3)氣源壓力的大小以及毛細(xì)管插入液體的深度變化不大時(shí),其對(duì)達(dá)到平衡時(shí)的等幅振蕩幅值的大小影響很小。

(4)毛細(xì)管內(nèi)徑的大小對(duì)于出現(xiàn)等幅震蕩特征的影響并不很大,即便有影響,也可以識(shí)別出來作為修正參數(shù),這一點(diǎn)可為制造毛細(xì)管提供方便。另外,必須保證氣體管路的順暢和氣密性,測(cè)試結(jié)果才比較可靠。

(5)為提高測(cè)試精度,必須測(cè)出或固定h值。本測(cè)試系統(tǒng)有較高的分辨率,具有較好的重復(fù)性。在實(shí)驗(yàn)室條件下,通過該系統(tǒng)對(duì)水、水玻璃等常溫液體的表面張力進(jìn)行測(cè)試,得出小表面張力的常溫液體當(dāng)量表面張力計(jì)算模型為:

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