[实用新型]基于表面毛细波现象的液体表面张力系数测量装置

说明书

技术领域

本实用新型属于物理量测量技术领域，涉及液体表面张力系数的测量，具体涉及一种基于表面毛细波现象的液体表面张力系数测量装置。

背景技术

液体表面张力，是作用于液体表面，并使液体表面积缩小的力；液体表面张力的大小可以用液体表面张力系数来描述，液体表面张力系数表示液体表面相邻两部分之间单位长度的相互牵引力；例如液面被长度为L的直线分成两部分，两部分之间的相互拉力F垂直于该直线，其大小与线段长度L成正比，即F＝σL。

液体表面张力系数是表征液体性质的一个重要物理参数，其可以用来区分不同的液体种类、检测液体的纯度、解释自然现象(如润湿性)、测定液固之间的短期和长期效应、测定表面活性剂的吸附或扩散速率等，因此在物理、化学工程应用上具有重要意义。

目前，常用的液体表面张力系数测量装置主要是基于以下测量方法：毛细管上升法、U型管法、挂环法(拉脱法)、威廉米平板法、最大气泡法、滴体积法、表面波法等；上述测量装置存在的主要问题是其测量结果的相对误差一般都大于1％，且影响因素较多，不确定度较高。

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对目前液体表面张力系数测量方法普遍存在测量误差大的技术缺陷，提供一种基于表面毛细现象的液体表面张力系数测量装置，以减小液体表面张力系数测量误差，提高测量的精确度。

经研究发现，一束稳恒射流沿竖直方向自由下落，撞击一块位于流体出射口下方的水平阻隔板时，可以观察到撞击点附近的液柱表面形成类似“驻波”的稳定周期性波形分布，即表面毛细波现象。

液柱表面任意一点流速U与该点附近毛细波波长λ的关系为：

式中，I_n(x)为n阶第一类修正型贝塞尔函数，此处n可取0和1；ρ为待测液体质量密度，r₀为观察点处的液柱半径；U(λ)为液柱观察点的流速，λ为该点毛细波波长，σ为液体表面张力系数。上式变形可得液体表面张力系数表达式：

因此通过测量待测液体密度ρ、观察点处的液柱半径r₀、液柱观察点的流速U以及该点的毛细波波长λ，代入上述公式(1)便可以计算得到该待测液体表面张力系数σ。

基于上述表面毛细波现象，本实用新型提供了一种基于表面毛细波现象的液体表面张力系数测量装置，该装置包括储液箱、橡胶管、出液管、定标尺、阻隔板、摄像头和显示器；所述储液箱经橡胶管与出液管连接；所述出液管的出口下方为阻隔板；所述定标尺与出液管平行设置；所述摄像头与出液管的出液口相对，且摄像头的电输出端与显示器相连接。

上述基于表面毛细波现象的液体表面张力系数测量装置，所述阻隔板本身具有一定的硬度，在受到来自稳恒射流冲击时，阻隔板不易变形，阻隔板可以为亚克力板、玻璃板或者不锈钢板等；所述阻隔板经第一支架固定于盛液器内。

上述基于表面毛细波现象的液体表面张力系数测量装置，所述摄像头经第二支架固定，使摄像头的摄像窗口与出液管的出液口相对，便于采集从出液管的出液口至阻隔板之间的液柱图像。

上述基于表面毛细波现象的液体表面张力系数测量装置，所述出液管为摩尔管，摩尔管管口即为液柱出射口，由于摩尔管较长且管口呈收缩状，故液体从上管口流至出射口的过程中可以受到很好的缓冲作用，因此出射口处液柱能够稳定流出；另外，摩尔管管道加工越精细光滑，液体受到扰动越小，流出的液柱越稳定，从而易于毛细波现象的出现。

上述基于表面毛细波现象的液体表面张力系数测量装置，所述出液管的出液口与阻隔板之间的距离L满足：0<L≤12cm，以形成一定长度的液柱，在此长度范围内，可以使液柱以一定的速度与阻隔板表面撞击，从而形成具有明显表面毛细波现象的液柱，若出液管出液口与阻隔板之间的距离过大，则液柱的速度会过大，导致毛细波波长过小，不宜于观察和测量。另外，液柱受到的扰动将会随着液柱速度的增大而被放大，不利于稳定毛细波的形成。