陳慶東　王俊平

(濱州學(xué)院航空工程學(xué)院　山東 濱州　256600)

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液體表面張力系數(shù)測定儀器的改進(jìn)*

陳慶東王俊平

(濱州學(xué)院航空工程學(xué)院山東 濱州256600)

摘 要：對FD-NST-I型液體表面張力系數(shù)測定儀進(jìn)行了改進(jìn)，把單金屬吊環(huán)改為用絕緣體接起的入水通電吊環(huán)，把玻璃容器更換為雙層變溫水池，利用STM32來進(jìn)行力敏傳感器數(shù)據(jù)的輸出和對液體溫度的控制，可以有效地減小誤差和更好研究溫度對此液體表面張力系數(shù)的影響.

關(guān)鍵詞：表面張力系數(shù)吊環(huán)FD-NST-ISTM32

1引言

液體的表面張力是表征液體性質(zhì)的一個重要參數(shù).測量液體的表面張力系數(shù)有多種方法，有拉脫法[1]、滴重法、毛細(xì)管法、U型管法、水波頻閃法、光纖干涉法[2]等等，其中拉脫法是測量液體表面張力系數(shù)常用的方法之一.

FD-NST-I型液體表面張力系數(shù)測定儀[3]是一種新型拉脫法液體表面張力系數(shù)測定儀,由上海某高校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心與上海某科教儀器有限公司聯(lián)合研制.用硅壓阻力敏傳感器測量液體與金屬相接觸的表面張力，將微小力的變化通過壓敏電阻轉(zhuǎn)化成電壓的變化，通過對傳感器進(jìn)行定標(biāo)，然后測量吊環(huán)拉斷前后的電壓差，計算出液體表面張力系數(shù).

本文針對實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的一些問題，對測量儀器的一些不足之處進(jìn)行改進(jìn).為了讓學(xué)生更好地理解液體表面張力系數(shù)和溫度的變化關(guān)系，增加了不同溫度下液體表面張力系數(shù)的測量內(nèi)容，豐富了實(shí)驗(yàn)項目的內(nèi)容.通過對儀器的改進(jìn)，提高了實(shí)驗(yàn)的測量精度，增加儀器的測量功能，使學(xué)生更容易操作.

2實(shí)驗(yàn)裝置存在的不足

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中和學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的過程中，發(fā)現(xiàn)此儀器存在以下不足：

(1)現(xiàn)有儀器吊環(huán)的水平調(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，吊環(huán)是否水平很難判斷，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).實(shí)驗(yàn)時，教師一方面強(qiáng)調(diào)吊環(huán)水平的重要性，但另一方面吊環(huán)水平的判斷又只能依靠目測，導(dǎo)致很多學(xué)生對該實(shí)驗(yàn)的興趣不高，實(shí)驗(yàn)效率低.

(2)液面升降采用旋轉(zhuǎn)螺絲手動升降法，液體和吊環(huán)都裸露在實(shí)驗(yàn)室中，這樣在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時，手動調(diào)節(jié)會引起被測液面的震動，同時受到周圍氣流的影響，都會在實(shí)驗(yàn)中導(dǎo)致液體薄膜在表面張力未達(dá)到臨界狀態(tài)就斷裂，容易帶來實(shí)驗(yàn)誤差.

(3)新型FD-NST-I液體表面張力系數(shù)測定儀，只能測量室溫下的液體表面張力系數(shù)，不能測量出張力系數(shù)與外界溫度之間的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一.

(4)原有的儀器靠肉眼判斷液面脫離，液面脫離的過程發(fā)生在一瞬間，時間很短，對脫離之前的電壓讀數(shù)很不好把握，有時觀察到液面脫離了，這邊的電壓表讀數(shù)已經(jīng)跳了，讀數(shù)存在較大誤差.

3實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)

針對以上實(shí)驗(yàn)儀器存在的不足之處，提出以下改進(jìn)方案：

(1)吊環(huán)的改動.在不改變原有吊環(huán)形狀的同時，把吊環(huán)用絕緣體分成兩個部分，接出導(dǎo)線，使其入水通電，水膜斷裂即停.由于水是弱導(dǎo)電性，我們又采用了電壓比較電路(圖1)，使吊環(huán)可以靈活地及時地對水膜破裂的時刻進(jìn)行匯報.

圖1　電壓比較電路

(2)為了讓學(xué)生更好地理解和掌握液體表面張力系數(shù)隨溫度的變化關(guān)系,對新型FD-NST-I液體表面張力系數(shù)測定儀設(shè)計了加熱和控溫裝置，對測量液體進(jìn)行了變溫控制，從而本實(shí)驗(yàn)項目可以測量在不同溫度下的液體表面張力系數(shù)，具體改進(jìn)如下.

對水容器進(jìn)行的改進(jìn)見圖2，借鑒了相關(guān)文獻(xiàn)[4]的一些好的方法，把容器改為雙層的玻璃缸，內(nèi)層儲待測液體且有一個出水口，外層容器對內(nèi)層溫度控制且有一進(jìn)水口和出水口.由玻璃缸、加熱器、溫控儀、小水泵和輸液管組成水循環(huán)加熱系統(tǒng)，外層水循環(huán)加熱系統(tǒng)工作流程圖見圖3.首先小水泵的兩端都接上輸液管(一定要保證密封)，一端輸入水浴缸外層，另一端用于抽水.玻璃缸內(nèi)固定加熱器，溫控儀接收器，小水泵抽水管和雙層水浴缸的出水管.此項設(shè)計可以有效地對實(shí)驗(yàn)液體進(jìn)行溫度的控制并且在進(jìn)行其循環(huán)工作的同時不干擾到其他系統(tǒng)的工作.

圖2　水容器圖

(3)最重要的一部分就是用STM32將原儀器替換.此部分是由特制吊環(huán)，力敏傳感器，STM32，12864液晶屏等組成的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng).經(jīng)過對力敏傳感器原理的探索，利用STM32AD轉(zhuǎn)換可以成功地把傳感器內(nèi)的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，并且STM32連接吊環(huán)，對工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，比起液體表面張力系數(shù)儀器更加精確可靠，且能耗低.

首先，需要把力敏傳感器與單片機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，再由單片機(jī)把數(shù)據(jù)以圖像的形式在液晶屏上進(jìn)行實(shí)時的顯示，具體的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)工作流程圖見圖4.

圖3　外層水循環(huán)加熱系統(tǒng)工作流程圖

圖4　數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)工作流程圖

4實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

表1　原儀器測量數(shù)據(jù)

游標(biāo)卡尺測得原有吊環(huán)外徑D1=35.00 mm,內(nèi)徑D2=32.8 mm,用原來的數(shù)字電壓表測得在環(huán)將拉斷液膜瞬間的讀數(shù)U1和拉斷后瞬間的讀數(shù)U2,并做出表格(表1)，求出相應(yīng)數(shù)據(jù).計算求得自來水的表面張力系數(shù)測量值α= 65.74 mN·m-1. 由此可知原儀器測量數(shù)據(jù)的誤差為 8.99%.

經(jīng)過研究原有儀器的不足，和對原實(shí)驗(yàn)儀器測量數(shù)據(jù)的分析，對儀器進(jìn)行改進(jìn)后，對力敏傳感器重新定標(biāo)，在室溫下由表2數(shù)據(jù)進(jìn)行計算所得的值求平均，得出水的表面張力系數(shù)測量值為α=72.49 mN·m-1，當(dāng)時的水溫為20℃,經(jīng)查表知，此溫度下水的表面張力系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值α=72.75 mN·m-1，實(shí)驗(yàn)測量所得的百分誤差為0.35%.通過儀器對待測液體溫度的控制，分別在20，40，60，80℃下進(jìn)行了數(shù)據(jù)的采集，得到了如表3數(shù)據(jù).

表2　改良后儀器測量數(shù)據(jù)

表3　不同溫度下水的表面張力系數(shù)

5結(jié)束語

本文針對在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程測量液體表面張力系數(shù)存在的問題，對原有的FD-NST-I液體表面張力系數(shù)測定儀進(jìn)行改進(jìn)，同時增加了不同溫度下的液體表面張力系數(shù)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置與原實(shí)驗(yàn)裝置相比，繼承了原裝置的優(yōu)點(diǎn)，同時改進(jìn)了原裝置操作中的不足之處.將實(shí)驗(yàn)室已有裝置進(jìn)行重新組合，便于實(shí)驗(yàn)室推廣運(yùn)用，同時豐富了實(shí)驗(yàn)項目內(nèi)容，提高了實(shí)驗(yàn)精度，改進(jìn)后的儀器的實(shí)驗(yàn)百分誤差降低到0.35%，降低了實(shí)驗(yàn)操作難度，同時又削減了實(shí)驗(yàn)成本.

參 考 文 獻(xiàn)

1趙群.液體表面張力系數(shù)測量方法比較研究.安徽科技學(xué)院學(xué)報，2010,24(2):44～47

2朱英昊，康娟，桑濤,等.基于光纖干涉法的液體表面張力系數(shù)測量及溫度影響研究. 2015,26(1):130～134

3龍臥云，李晶．FD-NST-I型液體表面張力系數(shù)測定儀的改進(jìn).高校實(shí)驗(yàn)室工作研究，2013，116(2)：40～42

4馬國利，馮偉偉．液體表面張力系數(shù)測量裝置的改進(jìn)．物理實(shí)驗(yàn)，2012，32(3):25～28

ImprovementonMeasurementInstrumentofLiquidSurfaceTensionCoefficient

ChenQingdongWangJunping

(Facultyofaerospaceengineering,BinzhouUniversity,Binzhou,Shandong256600)

Abstract:The FD-NST-I coefficient of liquid surface tension apparatus is improved ,The single metal rings is replaced by rings attached insulators which is powered on when pick up into the water, the glass container change into double-layer varying temperature pools, The output of the sensor data and liquid temperature is controlled by STM32, it can effectively reduce the error and better study the effect of temperature to the liquid surface tension coefficient.

Key words:surface tension coefficient；rings；FD-NST-I；STM32

(收稿日期：2015-10-22)

*作者簡介：陳慶東(1981-),男，碩士，實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向?yàn)槲锢韺?shí)驗(yàn)教學(xué)與管理.

* 濱州市科技發(fā)展計劃項目,項目編號：2014ZC0307；濱州學(xué)院科研基金項目,項目編號：BZXYG04 ；濱州學(xué)院科研基金項目,項目編號：BZXYG1513； 濱州學(xué)院教學(xué)研究項目,項目編號：BYJYWZ201338;山東省本科高校教學(xué)改革研究項目，項目編號：2015M027