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方法,對于人們?nèi)粘５纳a(chǎn)生活有重要的意義[1～4]。迅速地檢測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。液體表面張力檢測正在引起人們的重視,經(jīng)過科研工作者多年研究與實踐,檢測方法較為完善并為人們所掌握。但隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步,對各類材料的性能提出了更高的要求,同時也為研究和開發(fā)先進實用的材料質(zhì)量監(jiān)測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

以往的表面張力測定方法所用設(shè)備相對復(fù)雜,且有操作煩瑣等缺點,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)測試為動力學(xué)測試,將緩慢吹氣變?yōu)槊棵腌姶?～6個氣泡,同時不再測量泡內(nèi)最大絕對壓力,而改為測量氣泡內(nèi)相對氣壓差和每秒內(nèi)產(chǎn)生氣泡個數(shù)。該方法用氣泡壓力變化幅值 ΔP、氣泡個數(shù)N和毛細管管徑Φx與標(biāo)準管徑Φ0之差3個參數(shù)經(jīng)數(shù)學(xué)模型計算后得到幅頻當(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

選定一個毛細管,用它向某一液體吹氣,如將其出氣速度固定,當(dāng)毛細管吹氣過程中插入深度發(fā)生變化時,記錄的毛細管內(nèi)壓力變化如圖1曲線2所示。從圖中可以看出,當(dāng)毛細管插入深度由h2減為h3時,對應(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?？紤]到毛細管管徑對氣泡內(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為毛細管標(biāo)準管徑,φx為測量用毛細管管徑。該值只與被測液體本身性質(zhì)有關(guān),而與毛細管插入深度無關(guān),避免了最大氣泡壓力法對插入深度穩(wěn)定性的苛刻要求。由于當(dāng)毛細管內(nèi)徑2mm左右時,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)徑相等的毛細管提供了極大的方便。為進一步提高測試的精度,減小誤差,可以將深度固定,并同時計下在測試時間內(nèi)形成的氣泡個數(shù)N和泡壓幅值△P。在氣流量一定的條件下,氣泡個數(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 表面張力快速測試試驗

3.1 試驗步驟

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

(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,并將氣路切換到測管徑狀態(tài)。

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

(4)將氣路切換到測表面張力狀態(tài),按下測試鍵。

(5)將探頭緩緩插入液體,當(dāng)聽到蜂鳴器發(fā)聲時保持探頭靜止不動。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)上述實驗步驟。在實驗室條件下,對幾種不同常溫液體(水、油、肥皂水)分別做了實驗。

3.2 試驗結(jié)果分析

在常溫條件下進行了表面張力測試實驗。測試時所用的毛細管內(nèi)徑約為1.7～2.5mm。利用儀器自檢功能檢測毛細管內(nèi)徑,利用測試功能測定固定時間內(nèi)所吹氣泡個數(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)徑的毛細管測量不同的液體時,液體表面張力越大,氣泡幅值△P越大,氣泡個數(shù)N值越小;當(dāng)使用不同毛細管內(nèi)徑的探頭時,△P值和N值也隨之改變。因此,為了適用不同內(nèi)徑毛細管測量,需要在模型中加入修正項,其當(dāng)量表面張力可用下面公式計算測量:

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為毛細管標(biāo)準管徑,φx為測量用毛細管管徑。利用簡易裝置,通過對幾種常溫液體表面張力進行的模擬實驗,實驗數(shù)據(jù)表明在規(guī)定的條件下,氣泡壓力曲線確實是一條等幅振蕩曲線。通過反復(fù)模擬實驗,得出如下結(jié)論。

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

(2)在進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,其氣泡個數(shù)也不一樣,測試在同一管徑、同一進氣量、同一室溫下進行。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管插入液體的深度變化不大時,其對達到平衡時的等幅振蕩幅值的大小影響很小。

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

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

[1]萬春華.大學(xué)物理實驗[M].南京:南京大學(xué)出版社,1994.

[2]崔國文.表面與接口[M].北京:清華大學(xué)出版社,1990.

[3]陳傳煊.表面物理化學(xué)[M].北京:科學(xué)技術(shù)文獻出版社,1995.

[4]HIEMEN PC.膠體與表面化學(xué)原理[M].北京:北京大學(xué)出版社,1986.

[5]賈玉潤,王公冶,凌佩玲.大學(xué)物理實驗[M].上海:復(fù)旦大學(xué)出版社,1987.

[6]Li Dayong.A new method and device fo r calcu lating grapHite shape in cast iron in front of the furnace[J].International Jou rnal of Cast M etal Research,1999,11(5):387～390.