[发明专利]一种利用孔板双液面测量液体表面张力的支架及测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种支架，更具体地，涉及一种利用孔板双液面测量液体表面张力的支架及测量方法。

背景技术

表面张力是液体的一个重要物理属性，是决定液面形态的重要因素。液体表面张力的主要测试方法大致可以分为两类。一类是根据表面张力定义，直接对液体施加外力进行测试，这些外力可以是人为施加的，也可以是重力。典型的方法有：脱环法、吊片法、最大泡压法、滴重法等。这类方法中计算表面张力所用的模型和方法简单明了，但是操作较复杂，测试过程中干扰因素较多。另一类是液面轮廓法，即捕捉液体在固体几何约束下自身的几何形貌轮廓来进行测量。常见的方法有毛细管法、座滴法、悬滴法、插板法等。由于这类方法测量过程中干扰因素较少，另外也常选用简单的固体几何约束，例如平板和孔约束等，因此测量精度较高，应用较广。

在液面轮廓法中，毛细管法需要较多的被测液体，并且毛细管内真实液面的建模也较为复杂，给表面张力测量计算带来了麻烦。座滴法和插板法等方法中通常需要界定固液分界线、液面轮廓线端点位置及端点切线角度等参数，因人为操作误差和曲线拟合技术误差等原因导致端点及其切线确定不准确，会带来测量误差。而在经典的悬滴法测试中，直接通过求解非线性方程获得表面张力解析解是比较困难的，为避免求解非线性方程，需通过预先建立关于液滴形状因子的1/H～S插值表的方法来方便后期计算表面张力。尽管这类液面轮廓法可以选用简单固体避免约束简化物理建模及其求解计算，但是测量过程中难免存在重力场，这样理论建模获得的液体轮廓方程常为非线性方程，而求解非线性方程是有难度的，这就使得这类方法相比第一类方法在后期数据处理方面更繁琐。因此，如何保留液面轮廓法优点的同时简化测量和计算对于提高测量精度和扩展测量范围是非常有意义的。

本发明同样采用液面轮廓法来测量表面张力，所用测量支架结构简单，制造成本低，测量中所需被测液体少，适用于不同真空度、变温度、变环境压力等条件下的测试。除此之外，数据处理简单，只需要分别拟合支架上、下区域两液面顶部区域的轮廓线，获得上、下液面轮廓线的顶部半径以及两液面轮廓线顶点的高度差就可以计算得到液体表面张力。

发明内容

本发明一种利用孔板双液面测量液体表面张力的支架及测量方法，支架包括：上孔板和π型底座两部分。其中，上孔板中央下方伸出一段圆柱管，圆柱管中心的通孔贯通整个上孔板，测量表面张力时孔内盛满被测液体，并在孔上方和下方形成自由液面。

为保持液滴位置稳定，小孔截面形貌选用以下四种孔型中的一种：圆柱直孔型、圆柱阶梯孔型、上段为圆锥下段为圆柱的孔型、上段为球面下段为圆柱的孔型。对于圆柱直孔型的孔，其孔径为1～3mm，深度4～16mm；对于圆柱阶梯孔、上段为圆锥下段为圆柱的孔、上段为球面下段为圆柱的三种孔，其上段孔的上边缘直径3～10mm，深1～3mm，下段圆柱孔直径为1～3mm，深度4～16mm，且上段孔的上边缘直径应大于下段圆柱孔直径。上孔板的上表面与其下方的圆柱孔的下表面相平行。

π型底座由一块水平平板和两块相互平行的竖直平板固定连接构成，用于支撑上孔板，并承接可能下落的被测液滴。其竖直平板的高度大于上孔板的下方圆柱管长度2～6mm。

测量时，将上孔板水平置于π型底座上方，然后将液滴滴落在上孔板的孔上方，待液滴进入小孔并在孔上下形成两个中心对称的自由液面后，采用CCD从侧面将上下两个自由液面同时记录在同一个画面中。数据处理时，分别对上下两个液面的轮廓线进行拟合，获得上液面轮廓线的顶部半径R₁，下液面轮廓线的顶部半径R₂，以及两液面轮廓线顶点的高度差H，采用公式计算得到液体表面张力γ：

其中，ρ为被测液体的密度，g为当地重力加速度。

高温测量时，将上孔板水平置于π型底座上方，然后将待熔被测固体颗粒置于小孔正上方周边，靠近孔口，以便升温后形成上下双液面。升温使固体融化，待其融化形成液体后进入小孔并在孔上下形成两个中心对称的自由液面。然后采用CCD从侧面将上下两个自由液面同时记录在同一个画面中。数据处理时，分别对上下两个液面的轮廓线进行拟合，获得上液面轮廓线的顶部半径R₁，下液面轮廓线的顶部半径R₂，以及两液面轮廓线顶点的高度差H，最后采用公式(1)计算得到液体表面张力γ。

附图说明

图1是支架示意图。

图中：1－上液面；2－上孔板；3－下液面；4－π型底座。

图2是圆柱直孔型上孔板。