對(duì)FD－NST－I型液體表面張力系數(shù)測(cè)量?jī)x的改進(jìn)

代 偉

（西華師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，四川南充637002）

1 引 言

測(cè)定表面張力系數(shù)常用的方法有：吊環(huán)法、吊片法、懸滴法、靜滴法（躺滴法）、旋轉(zhuǎn)液滴法、等密度法、最大氣泡壓力法和毛細(xì)管上升法等[1－6].基于以上的測(cè)量方法，國(guó)內(nèi)外科研部門(mén)研制了一些測(cè)量液體表面張力系數(shù)的儀器，在這些儀器中，應(yīng)用最多的是吊環(huán)法.目前吊環(huán)法液體表面張力系數(shù)測(cè)量?jī)x主要有2種，一種是指針式手動(dòng)張力系數(shù)儀，另一種是單片機(jī)控制的數(shù)顯測(cè)量?jī)x，這2種儀器的共同缺點(diǎn)是測(cè)試人員的人為干預(yù)多，安裝調(diào)試復(fù)雜，儀器可操作性差，系統(tǒng)誤差大[7]，測(cè)試結(jié)果重復(fù)性不好.基于此，本文通過(guò)研究對(duì)液體表面張力系數(shù)測(cè)定儀進(jìn)行了改進(jìn)，可彌補(bǔ)上述2種儀器的不足.

2 實(shí)驗(yàn)原理

金屬環(huán)固定在傳感器上，將該環(huán)浸沒(méi)于被測(cè)液體中，并漸漸拉起圓環(huán)，當(dāng)它從液面拉脫瞬間傳感器受到的拉力差值F為

其中，D1和D2分別為的金屬環(huán)的外、內(nèi)徑，α為液體表面張力系數(shù).另外，由數(shù)字電壓表及硅壓阻力敏傳感器得到液體表面張力為

實(shí)驗(yàn)表明，α與液體種類(lèi)、純度、溫度和液面上方的氣體成分有關(guān)，液體溫度越高，α值越小，液體含雜質(zhì)越多，α值越小，只要上述條件保持一定，則α為常量，所以測(cè)量α?xí)r要記下當(dāng)時(shí)的溫度和所用液體的種類(lèi)及純度.

3 FD－NST－I型液體表面張力系數(shù)測(cè)量?jī)x存在的不足

在現(xiàn)有的液體表面張力系數(shù)測(cè)量?jī)x中，一般采用拉脫法測(cè)量液體表面張力系數(shù)，目前大都用半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片構(gòu)成的高靈敏度微張力傳感器和測(cè)試顯示儀表來(lái)取代以往的約利彈簧秤、扭秤、天平等，進(jìn)行液體表面張力測(cè)量.這種儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，測(cè)量誤差小，重復(fù)性較好，物理概念表達(dá)清晰、直觀，但現(xiàn)有的FD－NST－I型液體表面張力系數(shù)測(cè)量?jī)x仍然存在以下幾點(diǎn)不足：

1）FD－NST－I型液體表面張力測(cè)量?jī)x主要誤差來(lái)源是吊環(huán)不易調(diào)水平，懸掛吊環(huán)各銅絲長(zhǎng)度不均，致使圓環(huán)不水平，在表面張力作用下，吊環(huán)低的一側(cè)拉起的水柱內(nèi)外表面為圖1（a）所示的鞍面，而吊環(huán)高的一側(cè)拉起的水柱內(nèi)外表面為圖1（b）所示的雙曲面，這樣吊環(huán)拉起的水柱內(nèi)外表面就形不成圖1（c）所示的柱面，導(dǎo)致受力不均，液體薄膜就很容易從位置高的一側(cè)斷裂，在測(cè)量中引入粗大誤差.根據(jù)FD－NST－I型液體表面張力系數(shù)測(cè)定儀使用情況，測(cè)量時(shí)如吊環(huán)偏差1°，測(cè)量結(jié)果引入誤差為0.5%；偏差2°，引入誤差為1.6%.現(xiàn)有儀器吊環(huán)水平調(diào)節(jié)裝置是通過(guò)調(diào)節(jié)3根細(xì)金屬絲憑感覺(jué)判斷吊環(huán)下沿是否水平，用此方法調(diào)水平既原始也不科學(xué)，而且沒(méi)有判斷依據(jù).所以吊環(huán)是否水平很難判斷.

圖1 圓環(huán)拉起的水柱切面形狀

2）FD－NST－I型液體表面張力系數(shù)測(cè)量?jī)x，吊環(huán)的拉脫是通過(guò)絲桿螺母?jìng)鲃?dòng)讓盛裝液體的玻璃皿下降完成，升降裝置中使用的是細(xì)牙螺紋，測(cè)量時(shí)要調(diào)節(jié)載物臺(tái)上下移動(dòng)非常困難，加之原儀器移動(dòng)行程短，在測(cè)一些表面張力系數(shù)小的液體時(shí)往往拉不斷液膜；另外在調(diào)節(jié)升降螺母時(shí)使載物臺(tái)下降時(shí)儀器晃動(dòng)，容易導(dǎo)致吊環(huán)或砝碼盤(pán)震動(dòng)、擺動(dòng)（單擺與錐擺）、轉(zhuǎn)動(dòng)等，這樣會(huì)使力敏傳感器掛鉤受力不穩(wěn)定、不豎直，數(shù)字電壓表顯示不穩(wěn)定，液膜容易突然斷裂，引入粗大誤差（過(guò)失誤差），使測(cè)量精度降低.

3）FD－NST－I型液體表面張力系數(shù)測(cè)量?jī)x沒(méi)有加熱裝置，所以只能測(cè)量室溫環(huán)境下的液體表面張力系數(shù)，而實(shí)際測(cè)量中往往需要測(cè)量某一溫度下的液體表面張力系數(shù)，所以原有裝置不能滿足實(shí)際測(cè)量需要.

4 改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置

針對(duì)以上存在的問(wèn)題筆者對(duì)原裝置進(jìn)行了改進(jìn)，將水平儀、恒溫加熱套、齒輪齒條升降裝置等用于改進(jìn)的儀器中.

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示.儀器底座上固定L形立柱，固定滑塊固定在立柱上.升降滑塊與固定滑塊通過(guò)燕尾槽實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)配合.力敏傳感器通過(guò)懸臂桿固定在升降滑塊上，鋁合金吊環(huán)、小型水平儀都安裝在一圓形塑料固定架上，小型水平儀采用金華市益佳工具廠生產(chǎn)的塑料圓柱水準(zhǔn)泡，規(guī)格為Φ30mm×14mm，固定架的圓周均布有3個(gè)水平調(diào)節(jié)鈕，水平調(diào)節(jié)鈕與懸掛細(xì)線相連，固定架用細(xì)線連接懸掛在力敏傳感器上.通過(guò)水平調(diào)節(jié)鈕調(diào)節(jié)細(xì)線的長(zhǎng)度可將吊環(huán)調(diào)水平，這樣在測(cè)量中可降低引入粗大誤差；吊環(huán)從液面中拉脫通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)升降調(diào)節(jié)手輪帶動(dòng)齒輪與齒條傳動(dòng)裝置使升降滑塊上升即可實(shí)現(xiàn)，測(cè)量中儀器就不會(huì)晃動(dòng)，這樣就可降低過(guò)失誤差；被測(cè)液體的加熱由恒溫加熱套完成，實(shí)驗(yàn)裝置中的可控溫加熱裝置使用的是北京泰亞賽福科技發(fā)展有限責(zé)任公司經(jīng)銷(xiāo)的BSM100型數(shù)顯恒溫加熱套.

圖2 新的實(shí)驗(yàn)裝置

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置具有3個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)：1）可對(duì)不同溫度下的液體表面張力系數(shù)進(jìn)行測(cè)量；2）通過(guò)水平調(diào)節(jié)裝置可使吊環(huán)在測(cè)量時(shí)完全處于水平狀態(tài)；3）吊環(huán)的拉脫、升降采用齒輪齒條傳動(dòng)，升降速度快，拉脫容易.

5 改進(jìn)前后儀器實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析

5.1 硅壓阻力敏傳感器定標(biāo)

力敏傳感器上分別加不同質(zhì)量砝碼，測(cè)出相應(yīng)的電壓輸出值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1.

表1 力敏傳感器定標(biāo)

經(jīng)最小二乘法擬合得儀器的靈敏度B＝2.938×103mV／N，擬合的線性相關(guān)系數(shù)r＝0.999 7.南充地區(qū)重力加速度g＝9.792m／s2.

用游標(biāo)卡尺測(cè)量金屬圓環(huán)：D1＝34.96mm，D2＝33.10mm.

5.2 測(cè)量結(jié)果

用改進(jìn)后的液體表面張力系數(shù)測(cè)定儀測(cè)量純水的液體表面張力系數(shù).

先將吊環(huán)調(diào)節(jié)水平，再調(diào)節(jié)升降手輪使吊環(huán)上升，記錄下吊環(huán)在即將拉斷液柱時(shí)數(shù)字電壓表的讀數(shù)U1，拉斷時(shí)數(shù)字電壓表的讀數(shù)U2，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表2.

表2 用改進(jìn)儀器測(cè)量純水的表面張力系數(shù)（水溫25.00℃）

在此溫度下水的表面張力系數(shù)為（72.5±0.6）×10－3N／m.經(jīng)查表，在T＝25.0℃時(shí)水的表面張力系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值為72.0×10－3N／m，相對(duì)偏差為0.8%.

用原有的液體表面張力系數(shù)測(cè)定儀測(cè)量純水的液體表面張力系數(shù)，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表3.

表3 用原儀器測(cè)量純水的表面張力系數(shù)（水溫25.00℃）

在此溫度下水的表面張力系數(shù)為（73.8±0.9）×10－3N／m.經(jīng)查表，在T＝25.0℃時(shí)水的表面張力系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值為72.0×10－3N／m，相對(duì)偏差為2.5%：使用改進(jìn)前后的儀器對(duì)不同樣品進(jìn)行測(cè)量結(jié)果如表4所示.

表4 使用改進(jìn)前后儀器測(cè)量不同樣品結(jié)果（測(cè)量溫度25.00℃）

利用改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置還可以測(cè)量不同溫度下的液體表面張力系數(shù)，找出溫度與液體表面張力系數(shù)之間的變化關(guān)系，圖3為純水在不同溫度下的液體表面張力系數(shù)的變化情況.從圖中可以看出溫度升高液體表面張力系數(shù)降低.

圖3 液體表面張力系數(shù)－溫度關(guān)系

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比和不同樣品誤差對(duì)比可以看出使用改進(jìn)后的液體表面張力系數(shù)測(cè)量?jī)x測(cè)液體表面張力系數(shù)不但測(cè)試方便，而且測(cè)量精度也比FD－NST－I型液體表面張力系數(shù)測(cè)量?jī)x有所提高.另外儀器還能測(cè)出不同溫度下的液體表面張力系數(shù)，值得推廣.

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