液体表面张力系数测量装置的制作方法

1.本实用新型涉及表面张力测量技术领域，尤其涉及液体表面张力系数测量装置。


背景技术：

2.表面张力系数σ是在温度t和压力p不变的情况下吉布斯自由能g对面积s的偏导数：其中，吉布斯自由能的单位是能量单位，因此表面张力系数的单位是能量/面积。促使液体表面收缩的力叫做表面张力。即液体表面相邻两部分之间，单位长度内互相牵引的力。如液面被长度为l的直线分成两部分，这两部分之间的相互拉力f是垂直于直线l，并与表面相切。
3.目前通常使用拉脱法测量液体的表面张力系数。方法如下，如图1所示，（1）将吊环（序号2）挂在力敏传感器（序号5）的小钩上，调节升降平台，将盛水器皿（序号1）中的液体升至靠近吊环的下沿，观察吊环下沿与待测液面是否平行，如果不平行，将吊环取下后，调节吊环上的细丝，使吊环与待测液面平行；
4.（2）调节升降平台，使盛水器皿渐渐上升，将吊环的下沿部分全部浸没于待测液体，然后反向调节升降平台，使液面逐渐下降，这时，吊环和液面间形成一环形液膜，继续下降液面，测出环形液膜即将拉断前一瞬间数字电压表最大读数值u1和液膜拉断后一瞬间数字电压表稳定后的读数值u2，根据u1、u2求出表面张力系数。
5.然而，现有的液体表面张力系数测量装置无法对液体温度进行控制，无法测定不同温度条件下液体表面张力系数。
6.此外，现有的液体表面张力系数测量装置通过升降实验平台来调节液面高度，升降实验平台升降过程中液体晃动厉害，会降低实验的准确性；并且，通过升降平台来控制液面与吊环的接触，实验过程中为了保证实验的准确性，需要尽量保持液面不晃动，在升降过程中控制液面增加了实验的难度。


技术实现要素：

7.本技术旨在提供液体表面张力系数测量装置，其首要解决无法测定不同温度条件下液体表面张力系数的问题，其次再解决因升降实验平台升降引起的液体晃动问题。
8.本技术通过下述技术方案实现：
9.液体表面张力系数测量装置，包括盛水器皿、吊环、力敏传感器和电压采集系统，所述盛水器皿连接有温控系统；温控系统包括控制器、调温装置和温度传感器，调温装置和温度传感器均与控制器连接。
10.优选地，调温装置包括加热片和制冷片。
11.其中，液体表面张力系数测量装置还包括与控制器连接的人机交互模块。
12.其中，人机交互模块包括显示模块和按键输入模块，或人机交互模块包括触摸屏。
13.进一步的，液体表面张力系数测量装置还包括液面调节系统，所述液面调节系统包括储水容器、给水管和抽水管，所述盛水器皿通过给水管、抽水管与储水容器连接；
14.给水管和抽水管上装有阀门和泵。
15.优选地，阀门为电磁阀。
16.进一步的，所述电压采集系统包括信号放大模块和模数转换模块，力敏传感器通过信号放大模块、模数转换模块与控制器连接。
17.其中，液体表面张力系数测量装置还包括机箱，所述调温装置、温度传感器、控制器和电压采集系统集成在机箱上，机箱表面设有人机交互模块；
18.盛水器皿置于机箱表面，所述机箱顶面设有升降机构，力敏传感器装于升降机构上，所述吊环挂在力敏传感器上并位于盛水器皿的上方。
19.进一步的，所述升降机构包括底部与机箱连接的立柱、与立柱竖直滑动配合的滑动件，以及用于使滑动件沿立柱上下移动的调节丝杆；
20.滑动件包括与调节丝杆螺纹配合的螺母、与螺母连接的滑杆；
21.立柱内有空腔，立柱的表面有与空腔贯通的竖直滑槽，所述螺母装于空腔中，滑杆与竖直滑槽滑动配合，滑杆一端与立柱内的螺母连接，滑杆另一端与立柱外部的力敏传感器连接。
22.进一步度，液体表面张力系数测量装置还包括竖直设置的下俯调节杆和上仰调节杆，下俯调节杆和上仰调节杆的下端均穿过立柱顶部的通孔而伸进立柱的空腔内；
23.所述螺母有用于接收滑杆一端的滑杆接收腔，滑杆的一端穿过竖直滑槽后伸进滑杆接收腔中；
24.滑杆伸进滑杆接收腔中的一端与螺母之间有一活动支点，使得滑杆与螺母形成一杠杆结构；
25.螺母顶面有贯通滑杆接收腔的两个孔洞，两个孔洞分别位于所述活动支点的左右侧，所述下俯调节杆和上仰调节杆的下端分别穿过其中一个孔洞后顶在滑杆上。
26.与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：
27.1，本实用新型增加温度控制系统，可以测量不同温度下的液体表面张力系数，扩展了实验内容，拓宽了其使用的范围和研究领域，为相关实验的展开提供了便利，其不仅可在各高校实验室加以运用，还可以在科研机构进行推广，利于实现设备的产业化；
28.2，本实用新型通过抽水与进水，使得液面自动下降或上升，从而减小现有实验平台升降过程中液体晃动的问题，不仅提高了实验的准确性，而且实验操作也更加方便简单；
29.3，本实用新型的力敏传感器装于升降机构上，便于调节吊环的高度；
30.4，本实用新型的力敏传感器可更换，可避免将整个装置进行更换，能降低维修成本；本实用新型还为力敏传感器配置了俯仰调节机构，可调节力敏传感器的水平度，利于提高实验的准确性。
附图说明
31.此处所说明的附图用来提供对本实用新型实施方式的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本实用新型实施方式的限定。
32.图1是现有技术的示意图；
33.图2是实施例1的原理图；
34.图3是电压采集系统的原理图；
35.图4是实施例2的原理图；
36.图5是实施例2中液面调节系统的示意图；
37.图6是实施例三中的一体化设备的主视图；
38.图7是一体化设备的侧视图；
39.图8是一体化设备的后视图；
40.图9是一体化设备的俯视图；
41.图10是实施例三中升降机构的示意图；
42.图11是实施例四中升降机构的右剖视图；
43.图12是实施例四中升降机构的左剖视图；
44.图13是第一种杠杆结构的示意图；
45.图14是第二种杠杆结构的示意图；
46.图15是第三种杠杆结构的示意图；
47.图中：1-盛水器皿、2-吊环、3-调温装置、5-力敏传感器、8-水平仪；
48.4-液面调节系统、41-储水容器、42-抽水管、43-给水管、44-水泵、45-阀门、46-排水管；
49.6-机箱、61-触摸显示屏、63-开关、64-程序升级接口、65-力敏传感器接口、66-排水口、67-通水口、68-散热口；
50.7-升降机构、71-立柱、72-滑杆、73-调节丝杆、74-螺母、741-滑杆接收腔、75-高度调节旋钮、76-竖直滑槽、78-手柄、781-上仰调节杆、782-上仰调节杆、79-弧形凸起、791-弧形凹槽、792-水平销轴。
具体实施方式
51.为使本实用新型实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施方式中的附图，对本实用新型实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施方式是本实用新型一部分实施方式，而不是全部的实施方式。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施方式的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
52.因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施方式。基于本实用新型中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型保护的范围。
53.需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
54.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
55.在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介
间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
56.本技术针对fd-nst-1型液体表面张力系数测定仪进行改进，通过增加温度控制系统，可以测量不同温度下的液体表面张力系数，扩展了实验内容，拓宽了其使用的范围和研究领域，为相关实验的展开提供便利。
57.实施例1
58.如图2所示，本实施例公开的液体表面张力系数测量装置，包括盛水器皿1、吊环2、力敏传感器、电压采集系统和温控系统。力敏传感器与电压采集系统连接，温控系统与盛水器皿1连接。
59.温控系统包括控制器、调温装置3和温度传感器，调温装置3和温度传感器均与控制器电连接。
60.本实施例的调温装置3包括加热片和制冷片，具体可选70w大功率硅制冷片和加热片，通过pid算法进行控制调温，在温差比较小的时候采用脉冲供电以恒定温度。
61.当然，液体表面张力系数测量装置还包括与控制器连接的人机交互模块、存储模块、通讯接口等。人机交互模块包括显示模块和按键输入模块，或者人机交互模块采用触摸屏，这是本领域的常规技术，此处不再赘述。
62.温控器皿的工作原理：通过调温装置3可对水温进行加热和制冷，温度达到设定值平衡之后，测量该温度下的液体表面张力系数，从而实现不同温度下的液体表面张力系数的测量。可用于探究液体表面张力系数在不同温度下是否改变，扩展了实验内容, 结果更具有有效性，拓宽了其使用的范围和研究领域。
63.如图3所示，电压采集系统包括信号放大模块和模数转换模块，力敏传感器通过信号放大模块、模数转换模块与控制器连接，通过显示屏可显示电压值、曲线等。
64.本实施例中控制器可选择mcu，具体可选stm公司的arm9系列stm32f系列高速处理器。模数转换模块选用adi公司24bit高精度ad转换器；信号放大模块可选用adi公司低噪声精密程控放大器，放大倍数为1-128多档软件设置。采用高灵敏度传感器和智能温度控制系统，高精度的adc，可大大提高测量的准确性。
65.本实施例可实现电压和时间的曲线显示，可自动测量最大电压值、张力电压并实时显示；通过人机交互模块可设置液体的温度（温度步进0.1），通过调温装置可实现液体温度的自动控制。
66.实施例2
67.为实现液面的自动调节，避免现有技术中升降平台升降过程中带来的液面晃动的问题。如图4、图5所示，本实施例的液体表面张力系数测量装置还包括液面调节系统4，液面调节系统4包括储水容器41、抽水管42、给水管43、水泵44和阀门45。
68.盛水器皿1通过抽水管42、给水管43与储水容器41连接，抽水管42和给水管43上均安装有水泵44和阀门45。储水容器41还连接有排水管46，排水管46用于将储水容器41内的水外排。
69.本实施例中的阀门45为电磁阀，具体可选电磁闸阀。阀门45和水泵44均与控制器连接。通过控制阀门45自动抽水或进水，使得液面自动下降或上升，从而减小现有实验平台升降过程中液体晃动的问题。
70.本实施例中的液面调节系统4、电压采集系统和温控系统可共用一个控制器和显示屏，也可各自均配一个控制器和显示屏，或者其中两个共用一个控制器和显示屏。前述控制器和显示屏的设置方式的实现是本领域的常规技术，此处不再赘述。
71.实施例3
72.如图1-图10所示，本实施例中的液体表面张力系数测量装置包括一体化设备，该一体化设备集成了前述的温控系统、电压采集系统、盛水器皿1、吊环2、力敏传感器等。具体的，一体化设备包括机箱6，机箱6内有储水容器41、调温装置3和控制器、电压采集系统、液面升降控制模块等部件。
73.盛水器皿1置于机箱6顶部。
74.人机交互模块包括设于机箱6正面的触摸显示屏61，机箱6左右两侧均有散热口68，机箱6背面有开关63、程序升级接口64、力敏传感器接口65、排水口66和通水口67。
75.通水口67用于连接抽水管42和给水管43，以给盛水器皿1供水和排水，从而实现内部盛水器皿1液面的调节。
76.排水口66用于外接排水管46，通过排水管46可将装置内的水排尽。
77.水泵44和阀门45可集成在机箱6内，也可使用时再进行外部组装。
78.为实现吊环2高度的调节，本实施例在机箱6上安装有升降机构7，力敏传感器5装于升降机构7上。具体的，如图10所示，升降机构7包括底部与机箱6连接的立柱71、与立柱71竖直滑动配合的滑动件，以及用于使滑动件沿立柱71上下移动的调节丝杆73。
79.立柱71内有空腔，调节丝杆73竖直伸进立柱71的空腔中，调节丝杆73与立柱71转动连接，调节丝杆73顶部连接有高度调节旋钮75，高度调节旋钮75位于立柱71外部。
80.滑动件包括与调节丝杆73螺纹配合的螺母74、与螺母74连接的滑杆72。
81.立柱71的表面有与空腔贯通的竖直滑槽76，所述螺母74装于立柱71的空腔中并与调节丝杆73螺纹连接。滑杆72与竖直滑槽76滑动配合，滑杆72一端与立柱71内的螺母74连接，滑杆72另一端与立柱71外部的力敏传感器5连接。
82.力敏传感器5高度调节的原理：正向或反向旋转高度调节旋钮75，带动调节丝杆73旋转，因调节丝杆73与螺母74螺纹配合，所以螺母74有旋转的趋势，但因竖直滑槽76、滑杆72的直线滑动配合，使得螺母74无法旋转，只能进行上下移动，螺母74的上下移动，可带动滑杆72、力敏传感器5上下移动。
83.实施例4
84.当力敏传感器5损坏后，为避免整套装置的更换，本实施例中力敏传感器5可单独更换。为使实验结果更加准确，每次更换力敏传感器5后，需要重新调节力敏传感器5的水平度。
85.为实现力敏传感器5的水平度调节，本实施例的液体表面张力系数测量装置还包括俯仰调节机构。
86.如图11、图12所示，俯仰调节机构包括竖直设置的下俯调节杆781和上仰调节杆782。下俯调节杆781和上仰调节杆782的下端均穿过立柱71顶部的通孔而伸进立柱71的空腔内。
87.螺母74有用于接收滑杆72一端的滑杆接收腔741，滑杆接收腔741正对竖直滑槽76的一侧贯穿螺母74的外表面。
88.滑杆72的一端先穿过竖直滑槽76然后伸进滑杆接收腔741中。滑杆72伸进滑杆接收腔741中的一端与螺母74之间有一活动支点，使得滑杆72与螺母74形成一杠杆结构。由于滑杆接收腔741的限制，滑杆72只可围绕该活动支点在竖直面进行小弧度的转动，这个小弧度的转动能够满足力敏传感器5对于俯仰角度的调节。
89.螺母74顶面有贯通滑杆接收腔741的两个孔洞，两个孔洞分别位于活动支点的左右侧，下俯调节杆781和上仰调节杆782的下端分别穿过其中一个孔洞后顶在滑杆72上。
90.下俯调节杆781和上仰调节杆782均与立柱71的通孔螺纹连接，和/或下俯调节杆781和上仰调节杆782均与螺母74的孔洞螺纹连接。
91.通过调节下俯调节杆781和上仰调节杆782下端的高度差可调节滑杆72的俯仰，继而调节力敏传感器5的水平度。要实现滑杆72与螺母74构成杠杆结构，有至少三种方式：
92.第一种，如图13所示，在滑杆接收腔741底部有一弧形凸起79，在滑杆72伸进滑杆接收腔741中的一端的下表面有与弧形凸起79适配的弧形凹槽791，弧形凸起79置于弧形凹槽791中。弧形凸起79与弧形凹槽791构成滑杆72的活动支点。弧形凸起79的高度应大于弧形凹槽791的深度。
93.第二种，如图14所示，在滑杆接收腔741底部有一弧形凹槽791，在滑杆72伸进滑杆接收腔741中的一端的下表面有与弧形凹槽791适配的弧形凸起79，弧形凸起79置于弧形凹槽791中。弧形凸起79与弧形凹槽791构成滑杆72的活动支点。弧形凸起79的高度应大于弧形凹槽791的深度。
94.第三种，如图15所示，滑杆72伸进滑杆接收腔741中的一端通过水平销轴792与螺母74转动连接。
95.为方便拧动下俯调节杆781和上仰调节杆782，下俯调节杆781和上仰调节杆782顶部均设有手柄82。
96.本实施例中的力敏传感器5可更换，力敏传感器5的更换可通过将力敏传感器5与滑杆72拆开来实现，也可通过将滑杆72与螺母74拆开来实现。
97.以将滑杆72与螺母74拆开为例，对于如图13的第一种结构以及如图14所示的第二种结构，拧动下俯调节杆781和上仰调节杆782使其退出滑杆接收腔741；然后上移滑杆72，使弧形凸起79从弧形凹槽791中退出即可向外抽出滑杆72。
98.对于如图15所示的第三种结构，将水平销轴792从滑杆72的销孔中取出即可抽出滑杆72。
99.本实施例采用arm 7吋电容式触摸屏的架构，自动控制和测量技术，以提高整机稳定性，使用pid温控算法控制水温。增加的触屏装置使得仪器更加先进，并设置触屏矫正技术，操作方便。
100.本实施例的液体表面张力系数测量装置的使用方法：
101.1，如图7所示，在力敏传感器5顶面放置一水平仪8，调节俯仰调节机构使力敏传感器5的水平度满足实验要求；
102.2，将吊环2挂在力敏传感器5的小钩上，调节高度调节旋钮75使吊环2降到机箱6内的盛水器皿1内；
103.3，将盛水器皿1中的液体升至吊环2的下沿，使吊环2的下沿淹没2-3mm；
104.4，打开仪器的开关电源，进入主界面，点击“设温”按钮，在弹出来的窗口输入要设
定的温度（温度设定范围10-60℃），然后返回测量界面，此时点击“调温”仪器开始自动调节液体的温度；
105.5、等待3～5分钟后，待水温与设定温度相差0.5℃以内（屏幕左上角的调温状态显示绿色）并且稳定至少半分钟以上，温度达到平衡状态；
106.6、点击“测量”按钮，“开始”按钮会变成“放水”，表示水槽的液面正在下降，此时不能触碰仪器，当水面下降到脱环以后，显示屏幕上会自动记录吊环脱离液面的电压最大值；
107.当盛水器皿1中的水放完后，切换到“抽水”状态，此时盛水器皿1内的液面会自动上升，直到液面淹没吊环2-3mm左右即可进入下一次测量。
108.在另一个实施例中，盛水器皿1中可设置低位液位感应器和高位液位感应器。当感应到盛水器皿1中的水放完后，会自动切换至“抽水”状态，此时盛水器皿1内的液面会自动上升，直到液面淹没吊环2-3mm左右即可进入下一次测量。
109.以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。