对FD－NST－I型液体表面张力系数测量仪的改进

代 伟

（西华师范大学物理与电子信息学院，四川南充637002）

1 引 言

测定表面张力系数常用的方法有：吊环法、吊片法、悬滴法、静滴法（躺滴法）、旋转液滴法、等密度法、最大气泡压力法和毛细管上升法等[1－6].基于以上的测量方法，国内外科研部门研制了一些测量液体表面张力系数的仪器，在这些仪器中，应用最多的是吊环法.目前吊环法液体表面张力系数测量仪主要有2种，一种是指针式手动张力系数仪，另一种是单片机控制的数显测量仪，这2种仪器的共同缺点是测试人员的人为干预多，安装调试复杂，仪器可操作性差，系统误差大[7]，测试结果重复性不好.基于此，本文通过研究对液体表面张力系数测定仪进行了改进，可弥补上述2种仪器的不足.

2 实验原理

金属环固定在传感器上，将该环浸没于被测液体中，并渐渐拉起圆环，当它从液面拉脱瞬间传感器受到的拉力差值F为

其中，D1和D2分别为的金属环的外、内径，α为液体表面张力系数.另外，由数字电压表及硅压阻力敏传感器得到液体表面张力为

实验表明，α与液体种类、纯度、温度和液面上方的气体成分有关，液体温度越高，α值越小，液体含杂质越多，α值越小，只要上述条件保持一定，则α为常量，所以测量α时要记下当时的温度和所用液体的种类及纯度.

3 FD－NST－I型液体表面张力系数测量仪存在的不足

在现有的液体表面张力系数测量仪中，一般采用拉脱法测量液体表面张力系数，目前大都用半导体电阻应变片构成的高灵敏度微张力传感器和测试显示仪表来取代以往的约利弹簧秤、扭秤、天平等，进行液体表面张力测量.这种仪器结构简单，操作方便，测量误差小，重复性较好，物理概念表达清晰、直观，但现有的FD－NST－I型液体表面张力系数测量仪仍然存在以下几点不足：

1）FD－NST－I型液体表面张力测量仪主要误差来源是吊环不易调水平，悬挂吊环各铜丝长度不均，致使圆环不水平，在表面张力作用下，吊环低的一侧拉起的水柱内外表面为图1（a）所示的鞍面，而吊环高的一侧拉起的水柱内外表面为图1（b）所示的双曲面，这样吊环拉起的水柱内外表面就形不成图1（c）所示的柱面，导致受力不均，液体薄膜就很容易从位置高的一侧断裂，在测量中引入粗大误差.根据FD－NST－I型液体表面张力系数测定仪使用情况，测量时如吊环偏差1°，测量结果引入误差为0.5%；偏差2°，引入误差为1.6%.现有仪器吊环水平调节装置是通过调节3根细金属丝凭感觉判断吊环下沿是否水平，用此方法调水平既原始也不科学，而且没有判断依据.所以吊环是否水平很难判断.

图1 圆环拉起的水柱切面形状

2）FD－NST－I型液体表面张力系数测量仪，吊环的拉脱是通过丝杆螺母传动让盛装液体的玻璃皿下降完成，升降装置中使用的是细牙螺纹，测量时要调节载物台上下移动非常困难，加之原仪器移动行程短，在测一些表面张力系数小的液体时往往拉不断液膜；另外在调节升降螺母时使载物台下降时仪器晃动，容易导致吊环或砝码盘震动、摆动（单摆与锥摆）、转动等，这样会使力敏传感器挂钩受力不稳定、不竖直，数字电压表显示不稳定，液膜容易突然断裂，引入粗大误差（过失误差），使测量精度降低.

3）FD－NST－I型液体表面张力系数测量仪没有加热装置，所以只能测量室温环境下的液体表面张力系数，而实际测量中往往需要测量某一温度下的液体表面张力系数，所以原有装置不能满足实际测量需要.

4 改进后的实验装置

针对以上存在的问题笔者对原装置进行了改进，将水平仪、恒温加热套、齿轮齿条升降装置等用于改进的仪器中.

改进后的实验装置如图2所示.仪器底座上固定L形立柱，固定滑块固定在立柱上.升降滑块与固定滑块通过燕尾槽实现滑动配合.力敏传感器通过悬臂杆固定在升降滑块上，铝合金吊环、小型水平仪都安装在一圆形塑料固定架上，小型水平仪采用金华市益佳工具厂生产的塑料圆柱水准泡，规格为Φ30mm×14mm，固定架的圆周均布有3个水平调节钮，水平调节钮与悬挂细线相连，固定架用细线连接悬挂在力敏传感器上.通过水平调节钮调节细线的长度可将吊环调水平，这样在测量中可降低引入粗大误差；吊环从液面中拉脱通过转动升降调节手轮带动齿轮与齿条传动装置使升降滑块上升即可实现，测量中仪器就不会晃动，这样就可降低过失误差；被测液体的加热由恒温加热套完成，实验装置中的可控温加热装置使用的是北京泰亚赛福科技发展有限责任公司经销的BSM100型数显恒温加热套.

图2 新的实验装置

改进后的实验装置具有3个突出优点：1）可对不同温度下的液体表面张力系数进行测量；2）通过水平调节装置可使吊环在测量时完全处于水平状态；3）吊环的拉脱、升降采用齿轮齿条传动，升降速度快，拉脱容易.

5 改进前后仪器实验对比分析

5.1 硅压阻力敏传感器定标

力敏传感器上分别加不同质量砝码，测出相应的电压输出值，实验结果见表1.

表1 力敏传感器定标

经最小二乘法拟合得仪器的灵敏度B＝2.938×103mV／N，拟合的线性相关系数r＝0.999 7.南充地区重力加速度g＝9.792m／s2.

用游标卡尺测量金属圆环：D1＝34.96mm，D2＝33.10mm.

5.2 测量结果

用改进后的液体表面张力系数测定仪测量纯水的液体表面张力系数.

先将吊环调节水平，再调节升降手轮使吊环上升，记录下吊环在即将拉断液柱时数字电压表的读数U1，拉断时数字电压表的读数U2，测量结果见表2.

表2 用改进仪器测量纯水的表面张力系数（水温25.00℃）

在此温度下水的表面张力系数为（72.5±0.6）×10－3N／m.经查表，在T＝25.0℃时水的表面张力系数标准值为72.0×10－3N／m，相对偏差为0.8%.

用原有的液体表面张力系数测定仪测量纯水的液体表面张力系数，测量结果见表3.

表3 用原仪器测量纯水的表面张力系数（水温25.00℃）

在此温度下水的表面张力系数为（73.8±0.9）×10－3N／m.经查表，在T＝25.0℃时水的表面张力系数标准值为72.0×10－3N／m，相对偏差为2.5%：使用改进前后的仪器对不同样品进行测量结果如表4所示.

表4 使用改进前后仪器测量不同样品结果（测量温度25.00℃）

利用改进后的实验装置还可以测量不同温度下的液体表面张力系数，找出温度与液体表面张力系数之间的变化关系，图3为纯水在不同温度下的液体表面张力系数的变化情况.从图中可以看出温度升高液体表面张力系数降低.

图3 液体表面张力系数－温度关系

6 结束语

通过实验对比和不同样品误差对比可以看出使用改进后的液体表面张力系数测量仪测液体表面张力系数不但测试方便，而且测量精度也比FD－NST－I型液体表面张力系数测量仪有所提高.另外仪器还能测出不同温度下的液体表面张力系数，值得推广.

[1] 代伟，方小兵.大学物理实验[M].北京：科学出版社，2010：106－108.

[2] 沈元华，陆申龙.基础物理实验[M].北京：高等教育出版社，2003：116－119.

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