對FD－NST－I型液體表面張力系數(shù)測量儀的改進(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].基于以上的測量方法，國內(nèi)外科研部門研制了一些測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)測量儀主要有2種，一種是指針式手動張力系數(shù)儀，另一種是單片機控制的數(shù)顯測量儀，這2種儀器的共同缺點是測試人員的人為干預(yù)多，安裝調(diào)試復(fù)雜，儀器可操作性差，系統(tǒng)誤差大[7]，測試結(jié)果重復(fù)性不好.基于此，本文通過研究對液體表面張力系數(shù)測定儀進(jìn)行了改進(jìn)，可彌補上述2種儀器的不足.

2 實驗原理

金屬環(huán)固定在傳感器上，將該環(huán)浸沒于被測液體中，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

實驗表明，α與液體種類、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，所以測量α?xí)r要記下當(dāng)時的溫度和所用液體的種類及純度.

3 FD－NST－I型液體表面張力系數(shù)測量儀存在的不足

在現(xiàn)有的液體表面張力系數(shù)測量儀中，一般采用拉脫法測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試顯示儀表來取代以往的約利彈簧秤、扭秤、天平等，進(jìn)行液體表面張力測量.這種儀器結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，測量誤差小，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)測量儀仍然存在以下幾點不足：

1）FD－NST－I型液體表面張力測量儀主要誤差來源是吊環(huán)不易調(diào)水平，懸掛吊環(huán)各銅絲長度不均，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)測定儀使用情況，測量時如吊環(huán)偏差1°，測量結(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)裝置是通過調(diào)節(jié)3根細(xì)金屬絲憑感覺判斷吊環(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)測量儀，吊環(huán)的拉脫是通過絲桿螺母傳動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，測量時要調(diào)節(jié)載物臺上下移動非常困難，加之原儀器移動行程短，在測一些表面張力系數(shù)小的液體時往往拉不斷液膜；另外在調(diào)節(jié)升降螺母時使載物臺下降時儀器晃動，容易導(dǎo)致吊環(huán)或砝碼盤震動、擺動（單擺與錐擺）、轉(zhuǎn)動等，這樣會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（過失誤差），使測量精度降低.

3）FD－NST－I型液體表面張力系數(shù)測量儀沒有加熱裝置，所以只能測量室溫環(huán)境下的液體表面張力系數(shù)，而實際測量中往往需要測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際測量需要.

4 改進(jìn)后的實驗裝置

針對以上存在的問題筆者對原裝置進(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)后的實驗裝置如圖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燕尾槽實現(xiàn)滑動配合.力敏傳感器通過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.通過水平調(diào)節(jié)鈕調(diào)節(jié)細(xì)線的長度可將吊環(huán)調(diào)水平，這樣在測量中可降低引入粗大誤差；吊環(huán)從液面中拉脫通過轉(zhuǎn)動升降調(diào)節(jié)手輪帶動齒輪與齒條傳動裝置使升降滑塊上升即可實現(xiàn)，測量中儀器就不會晃動，這樣就可降低過失誤差；被測液體的加熱由恒溫加熱套完成，實驗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)銷的BSM100型數(shù)顯恒溫加熱套.

圖2 新的實驗裝置

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

5 改進(jìn)前后儀器實驗對比分析

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，測出相應(yīng)的電壓輸出值，實驗結(jié)果見表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)卡尺測量金屬圓環(huán)：D1＝34.96mm，D2＝33.10mm.

5.2 測量結(jié)果

用改進(jìn)后的液體表面張力系數(shù)測定儀測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)在即將拉斷液柱時數(shù)字電壓表的讀數(shù)U1，拉斷時數(shù)字電壓表的讀數(shù)U2，測量結(jié)果見表2.

表2 用改進(jìn)儀器測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℃時水的表面張力系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值為72.0×10－3N／m，相對偏差為0.8%.

用原有的液體表面張力系數(shù)測定儀測量純水的液體表面張力系數(shù)，測量結(jié)果見表3.

表3 用原儀器測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℃時水的表面張力系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值為72.0×10－3N／m，相對偏差為2.5%：使用改進(jìn)前后的儀器對不同樣品進(jìn)行測量結(jié)果如表4所示.

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

利用改進(jìn)后的實驗裝置還可以測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

通過實驗對比和不同樣品誤差對比可以看出使用改進(jìn)后的液體表面張力系數(shù)測量儀測液體表面張力系數(shù)不但測試方便，而且測量精度也比FD－NST－I型液體表面張力系數(shù)測量儀有所提高.另外儀器還能測出不同溫度下的液體表面張力系數(shù)，值得推廣.

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