液體表面張力係數測量儀的製作方法
2023-05-29 16:50:01
專利名稱：液體表面張力係數測量儀的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種液體表面張力係數測量儀。
背景技術：
液體表面張力係數是界面物理領域一個重要的化學參數，若干涉及界面的化工生產都需測量這一參數。然而目前測液體表面張力係數的方法為吊環或吊片拉脫法、毛細管或插板彎月面法、液滴滴落瞬間臨界法等等，各有其長。而用兩垂直玻璃板測液體的表面張力係數的方法，在理論上和實驗中也有許多報導。但傳統測量方法均系手工操作，速度緩慢，人的主觀因素對結果影響也大，特別是需通過運算或查表，不能數顯直讀，極為不便。為此，本發明人經長期探索，終於研製出這個從原理到結構全新的一種數顯直讀測量儀器。
實用新型內容本實用新型的目的在於提供一種液體表面張力係數測量儀，其具有測試方便、結果準確的功效。
為實現上述目的，本實用新型的解決方案是液體表面張力係數測量儀，主要由測試皿、插板、平行光束和可平行移動的CCD光接收器組成，插板插置在測試皿內待測液中，CCD光接收器設置在測試皿上方，平行光束與CCD光接收器呈平行狀照射在待測液面上。
其中，上述平行光束是由雷射二極體發出的光經準直透鏡和光闌而形成平行雷射束。
上述CCD光接收器由單片機給定信號驅動電機帶動做平行移動。
上述插板和CCD光接收器垂直於在測試皿中待測液面，平行光束平行於CCD光接收器呈垂直狀照射在待測液面上。
採用上述結構後，本實用新型將插板插入待測液體中，由於液體的浸潤和固液相界面表面張力的存在，在插板和液面的界面處形成一彎月面液面，如果平板的寬度和彎月面的高度相比足夠寬時，可以認為是柱狀彎月面，平行光束照射在彎月面上並產生反射，根據Young——Laplace方程可以推導出液體表面張力係數
=yg(x2-x1)2[-ln(tg2/4)-2cos2/2+ln(tg1/4)+2cos1/2]2---(1)]]>式中φ1、φ2為彎月面上與X1、X2相對應的液體表面法線對入射光的傾角；為py為液體的密度；g為重力加速度；採用平行雷射束入射待測液面的彎月面，平行雷射束寬度d＝X2-X1，則以φ1、φ2表示雷射束兩邊緣在X1和X2處的入射角，根據幾何光學，液體表面的反射光為會聚光，若分別在平行移動的CCD光接收器上接收光信號，再通過三角函數運算則可以算出φ1、φ2，從而計算出相應的γ值，實現以線性長度取代接觸角測量液固相表面張力，即以便於測量的長度取代不便於測量的角度，測量的精度及方便程度大大得到提高，達到測試更方便、測得結果更準確的功效。倘若將該裝置與單片機聯接，還可通過單片機直接採集數據，並處理數據，實現數顯直讀、在線監測、智能處理的功效。
圖1是本實用新型的結構示意圖；圖2是本實用新型的測量原理圖；圖3是本實用新型數據處理原理圖；圖4是本實用新型數據處理方框圖；圖5是改變d的測量誤差曲線；圖6是改變L的測量誤差曲線；圖7是L，d，ΔY測量精度對系統誤差的影響。
具體實施方式
本實用新型揭示的液體表面張力係數測量儀，如圖1所示，主要由測試皿1、插板2、平行光束3和可平行移動的CCD光接收器4組成。插板2插置在測試皿1內待測液中，CCD光接收器4設置在測試皿1，平行可見光束3與CCD光接收器4呈平行狀照射在待測液面上。
本實用新型的最佳實施例是插板2和CCD光接收器4垂直於在測試皿1中待測液面，平行光束3平行於CCD光接收器4呈垂直狀照射在待測液面上。
平行光束3是由雷射二極體31發出的光經準直透鏡32和光闌33而形成平行雷射束。
CCD光接收器4由單片機給定信號驅動電機帶動做平行移動。
本實用新型的基本測量原理
如圖2所示，將一固體插板2垂直插入待測液體中，由於液體的浸潤和固液相界面表面張力的存在，在插板2和液面的界面處形成一彎月面。如果插板2的寬度和彎月面的高度相比足夠寬時，可以認為是柱狀彎月面，根據Young——Laplace方程可以推導出液體表面張力係數=yg(x2-x1)2-ln(tg2/4)-2cos2/2+ln(tg1/4)+2cos1/22---(1)]]>式中φ1、φ2為彎月面上與X1、X2相對應的液體表面法線對鉛垂線的傾角；為py為液體的密度；g為重力加速度。
採用平行雷射束垂直入射彎月面，令雷射束寬度d＝X1-X2，則以φ1、φ2表示雷射束兩邊緣在X1和X2處的入射角，根據幾何光學，液體表面的反射光為會聚光，若分別在豎直平面S1和S2上接收光信號，則有如下關係BAC=22=arctg(BCAC)=arctg(BCAC-BB)]]>BAC=21=arctg(BCAC)=arctg(BCAC)]]>令L＝BC＝B』C』；ΔY2＝AC』-BB』；ΔY1＝A』C』可得2=12arctg(LY2)---(2)]]>1=12arctg(LY1)]]>於是測得L、ΔY1、ΔY2，就等於測到φ1、φ2角度，也就可通過(1)式計算得出相應的γ值，即實現固液表面張力係數通過測長取代測接觸角度進行測量。
本實用新型數據測量方案以半導體雷射器、線陣CCD檢測器和單片機實現上述測量。測量裝置如圖1所示，原理如圖2所示，平行雷射束由雷射二極體31、準直透鏡32和刀口狹縫光闌33得到，因狹縫光闌33寬度d＞＞λ(雷射波長)，即光闌33本身的寬度為十分之幾的毫米量級，且光闌33到液面的距離為釐米量級，所以光的衍射可忽略不計。線陣CCD光接收器4可水平移動，移動距離L由長光柵傳感器讀出，液體彎月面的反射光由線陣CCD接收器4接收，讀出Y方向的ΔY2和ΔY1當CCD在內側位置時，CCD接收到的光斑兩邊沿分別為ΔY2和ΔY1的起始坐標；CCD移動到外側位置時，接收到的光斑兩邊沿則為ΔY2和ΔY1的終了坐標。具體作法，配合圖3、4所示1、調節有固、液被測彎月面的測量皿1，到以雷射源光束定位的固定位置——光束射到彎月面，並被反射到接收器上；2、以光闌33d為輸入，通過單片機決定先後兩次雷射被彎月面反射到接收器的位置，既移動距離L；3、通過兩次在接收器上雷射反射區的檢測就能得知ΔY1及ΔY2；4、上述L、ΔY1、ΔY2由單片機已固化的式(1)的數學模型計算得出γ。
圖3是以MC-8051單片機為核心構成數據處理的基本原理。
運用本實用新型測量的誤差分析此方法中的被測量均為相對測量值，避免了絕對零點誤差。相關被測量是刀口狹縫光闌33寬度d、CCD雷射接收器4在X方向移動距離L、CCD雷射接收器4接收光信號Y方向的相對變化量ΔY2、ΔY1。
參數設計選擇了合適的刀口狹縫光闌33寬度d，CCD雷射接收器4在X方向的移動距離L，和最佳接收角度φ1、φ2(也就是選擇雷射束垂直入射彎月面的位置x1、x2)，使測量誤差最小。以水的表面張力係數測量為例20℃時水的表面張力系統γ＝72.75mN/m，水的密度py＝1000kgm-3，設刀口狹縫寬度d的測量誤差|Δd|＝0.005mm，長光柵測量CCD在X方向的移動距離L的測量誤差|ΔL|＝0.01mm，CCD測量ΔY2、ΔY1的測量誤差|Δ(ΔY1)|＝|Δ(ΔY2)|＝0.008mm。
根據(1)、(2)式，測量系統最大總誤差(絕對誤差)為=|dd|+|11|+|22|---(3)]]>=|dd|+|1(|1LL|+|1Y1(Y1)|)|+|2(|2LL|+|2Y2(Y2)|)|]]>圖5是保持d、Y2不變，改變L的γ測量誤差曲線。計算參數d＝0.3mm，ΔY2＝3mm。由圖中可見L越大，測量誤差越小，當L＞8mm後誤差變化較小，所以可選擇CCD在X方向的移動距離L＝10mm。
圖6是保持L、Y2不變，改變d的γ測量誤差曲線。計算參數L＝10mm，ΔY2＝3mm。由圖中可見d越大，測量誤差越大，所以應儘量減小刀口狹縫寬度d。但d太小，光的衍射效應就不能忽略，會引起更大誤差，可選擇d＝0.2mm(＞＞雷射波長λ)。
圖5是L、d、ΔY的測量誤差與γ的測量誤差關係曲線。計算參數L＝10mm，d＝0.3mm，ΔY2＝3mm。由圖中可見，d的測量誤差對系統誤差影響最大，所以應儘量減小其加工誤差和測量誤差(≤0.002mm)。
本實用新型利用半導體雷射器(平行光源)、線陣CCD器件(Y坐標測量)、長光柵傳感器(X坐標測量)及單片機技術(數據處理和控制)，進行液體表面張力係數的快速直讀測量時，其測量精度可達0.3×10-3Nm-1。
權利要求1.液體表面張力係數測量儀，其特徵在於主要由測試皿、插板、平行光束和可平行移動的CCD光接收器組成，插板插置在測試皿內待測液中，CCD光接收器設置在測試皿上方，平行光束與CCD光接收器呈平行狀照射在待測液面上。
2.如權利要求1所述的液體表面張力係數測量儀，其特徵在於平行光束是由雷射二極體發出的光經準直透鏡和光闌而形成平行雷射束。
3.如權利要求1所述的液體表面張力係數測量儀，其特徵在於CCD光接收器由單片機給定信號驅動電機帶動做平行移動。
4.如權利要求1所述的液體表面張力係數測量儀，其特徵在於插板和CCD光接收器垂直於在測試皿中待測液面，平行光束平行於CCD光接收器呈垂直狀照射在待測液面上。
專利摘要本實用新型公開一種液體表面張力係數測量儀，主要由測試皿、插板、平行光束和可平行移動的CCD光接收器組成，插板插置在測試皿內待測液中，CCD光接收器設置在測試皿上方，平行可見光束與CCD光接收器呈平行狀照射在待測液面上。本實用新型實現了固液表面張力係數通過測長取代測接觸角度進行測量γ值，測試更方便，測得結果更準確。倘若將該裝置與單片機聯接，還可通過單片機直接採集數據，並處理數據，實現數顯直讀、在線監測、智能處理的功效。
文檔編號G01N13/02GK2629028SQ03259769
公開日2004年7月28日 申請日期2003年7月19日 優先權日2003年7月19日
發明者馬誌溪, 莊其仁 申請人:華僑大學