一种基于电子微压力计的表面张力测定装置的制作方法

本发明属于一种测量装置，涉及一种基于电子微压力计的用于最大气泡压力法测量表面活性物质溶液的表面张力的装置。

背景技术：

电子微压力计是可测出范围在±60kpa以内的微小压力差，精度达±1pa，并将压力信号转变为数字信号以方便观测及数据收集的一类仪器。

一般意义上的电子微压力计主要包括过程连接件、测量电路、测压元件传感器等部分。其中最重要的部分为测压元件传感器，为了让调节器、记录仪等二级仪表能够顺利进行过程调节、指示和测量，需要得到标准的电信号，这就要求压差传感器能够将液体或气体等物理压力信号转变为电信号。目前市场广泛使用的电子微压力计传感器可分为压阻式微压差传感器、电容式微压差传感器、光纤微压差传感器、谐振式石英晶体微压差传感器等几大类。可以说，微压差传感器技术目前的发展已趋于成熟，并已越来越广泛地应用到国民经济的各个领域。这为电子微压力计在最大气泡压力法测定液体表面张力方面的运用提供了坚实的技术基础。

最大气泡压力法由simon于1851年提出，后由canter，jaeger分别从理论和实用角度加以发展。已广泛应用于科学实验，尤其是相关学科的教学实践中。

目前广泛采用的最大泡压法测定液体表面张力的操作步骤为，在上部侧面带有抽气孔的样品管中央，插入一根洁净的毛细管，管口刚好和待测液体表面相切，使用滴液漏斗等类似装置缓慢抽气，毛细管中液面上的压力大于毛细管外液面上的压力，毛细管口将有气泡逸出。毛细管的内外压力差(δp)形成的推力促使气泡离开管口，此推力等于毛细管面积乘以毛细管内外压力差，当所用的毛细管比较规整时，此推力可表示为f推＝δp·πr²。气泡在管口的黏附力是液体表面张力乘以毛细管和液体的接触周界线长，即f拉＝δ·2πr。在气泡离开管口的瞬间f推＝f拉，不存在推力大于拉力的情况，因此毛细管内外的压力差有最大值，即由于毛细管半径不易测量，一般用已知表面张力的纯液体校准，常用的是纯水。测量纯水的最大压力差后，含有表面活性物质水溶液的表面张力即为各溶液的最大压力差和纯水的最大压力差之比乘以纯水的表面张力。本实验原理简单，但是目前的测量装置中普遍以下问题，1、实验所需样品量较大，易造成浪费。2、压力差测量使用u形或斜管水柱微压力测量装置，操作不便，且压力测量不准确、精度差。由于水的密度较大，此类装置对压力的敏感性也较差。3、由于本实验要求毛细管口和液面相切，实验中要频繁将溶液倒进倒出样品管，极不方便。4、测量纯水的最大压力差时要求毛细管绝对洁净，往往需要使用重铬酸钾硫酸饱和溶液浸泡毛细管，操作繁琐，且加大了实验室废液处理量，操作不熟练时存在较大的安全风险。5、样品管必须置于恒温水浴中以获得稳定的温度，占用桌面面积较大，也不易测量低于室温的样品。

技术实现要素：

本发明的目的即为了解决以上问题，发明一种测量方便、数据精度高、样品用量少、操作简便的表面活性物质溶液的表面张力数据的测定装置。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于电子微压力计的表面张力测定装置，包括微压力测量装置、带循环恒温液夹套和样品高度调节活塞的样品管、可拆卸毛细管的测量管。

微压力测量装置：包括测压元件传感器、模拟信号采集器、模拟信号/数字信号转换器、中央处理器、控制器和数据显示器。此六部分为一体式封装的仪器装置。

所述测压元件传感器内置压敏电阻，能够接收样品管与测量管处传来的压力信号并将其转换为v+、v-、s+、s-一组四个数据的电信号。

所述模拟信号采集器通过信号传输电路与测压元件传感器相连，用以接收测压元件传感器得到的电信号。

所述模拟信号/数字信号转换器能够将模拟信号采集器采集得到的模拟信号转换为数字信号。

所述中央处理器可以接收模拟信号/数字信号转换器传来的数据信号并对其进行处理。同时具备数据输入、输出、处理、交互等多种功能。

所述控制器配备置零等按钮，可对中央处理器下达数据置零等指令。

所述数据显示器可实时显示经微压力测量装置测得并最终经中央处理器处理后得到的最终微压力数据。

带循环恒温液夹套和样品高度调节活塞的样品管：包括循环恒温液夹套部分、待测溶液盛放部分和待测溶液液面高度调整部分。此三部分为一体式的玻璃装置。

所述循环恒温液夹套部分的结构类似直形冷凝管结构，内部为待测液盛放部分，外部为循环恒温液夹套部分，外壁下部与上部各留一进/出口在两侧，以下孔流进、上孔流出的方式实现循环恒温液控温。该循环恒温液夹套部分支持多组串联，实现一台循环控温设备控制多组实验仪器，节省实验空间，并可实现低至-40℃的测量。

所述待测溶液盛放部分在循环恒温液夹套部分的内部，结构类似恒压滴液漏斗结构，用以盛放待测溶液。该结构下部为待测溶液页面高度调整部分，上部为磨口结构。

所述待测溶液液面高度调整部分在测溶液盛放部分下方，结构为漏斗下部阀门结构，并加装聚四氟乙烯(特氟龙)材质的活塞以控制液面高度，保证待测液液面和毛细管口相切，调节方便、直观。

可拆卸毛细管的测量管：包括玻璃磨口部分、玻璃导管部分和可拆卸毛细管部分。此三部分中，玻璃磨口部分和玻璃导管部分为一体式的玻璃装置，可拆卸毛细管部分可与玻璃导管部分无缝对接配套使用。

所述玻璃磨口部分的结构为磨口塞盖结构，在使用时与待测溶液盛放部分上部的玻璃磨口对接，以保证待测溶液内部气密性。

所述玻璃导管部分位置在玻璃磨口部分内，结构为中空细玻璃管结构，玻璃管下端是和毛细管钢针相连结的磨口。可探入待测溶液盛放部分内，以减少待测溶液用量。

所述可拆卸毛细管为一次性毛细管平头针，可选配规格、材质不同的毛细管针头以满足不同测量需求，测量水溶液时推荐使用用直径为2mm、3mm、4mm或5mm针头。针头顶部套塞部位和玻璃导管部分无缝套入。使用后直接丢弃或集中进行清洁干燥处理。测量方便，且可保证洁净。

附图说明

图1为本发明一种基于电子微压力计的表面张力测定装置的微压力测量装置的原理图。

图1的附图标记：①为微压力测量装置接口。②为测压元件传感器。③为压敏电阻。④为信号传输电路，传输通过测压原件传感器测得的v+、v-、s+、s-一组四个数据。⑤为模拟信号采集器。⑥为模拟信号/数字信号转换器。⑦为基于动态扫描原理的信号传输电路，传输四个位选信号与四个数字信号，一组共八个信号。⑧为中央处理器(cpu)。⑨为控制器。⑩为数据显示器。

图2为本发明一种基于电子微压力计的表面张力测定装置的带循环恒温液夹套和样品高度调节活塞的样品管结构图。

图2的附图标记：①为毛玻璃磨口接口。②为连通待测液盛放部分与外界大气的玻璃导管接口。③为循环恒温液夹套的入水口。④为循环恒温液夹套的出口。⑤为待测液盛放部分。⑥为循环恒温液夹套部分。⑦为待测溶液页面高度调整部分，具体为聚四氟乙烯(特氟龙)材质的活塞。

图3为本发明一种基于电子微压力计的表面张力测定装置的可拆卸毛细管的测量管结构图。

图3的附图标记：①为玻璃导管部分。②为玻璃磨口部分。

图4为本发明一种基于电子微压力计的表面张力测定装置的可拆卸毛细管的毛细管结构图。

图4的附图标记：①为玻璃磨口部分。②为毛细管针管部分。

图5为本发明一种基于电子微压力计的表面张力测定装置的整体布局示意图。

图5的附图标记：①为恒温液入口及出口(下进上出)。②为通大气口。③为抽气口。④为微压力测量装置。⑤为带循环恒温液夹套和样品高度调节活塞的样品管和可拆卸毛细管的测量管的组合示意图。

图6为实例一中正丁醇水溶液浓度关于表面张力的数据图。

图7为实例一中正丁醇水溶液浓度关于表面超量的数据图。

具体实施方式

将微压力测量装置打开，数据置零后，与可拆卸毛细管的测量管顶部相接。

选取适当半径的毛细管针头，套在可拆卸毛细管的测量管底部，将测量管套入带循环恒温液夹套和样品高度调节活塞的样品管。

准备好样品管的恒温水浴环境，将样品管与微压力测量装置相连。

检查仪器设备的气密性与连接部位的连通性，完成实验前的准备工作。

向样品管中加入足量待测溶液，静置10分钟，使待测液温度稳定且等于循环水浴温度。打开待测溶液液面高度调整部分的活塞旋钮以调整待测液面高度与毛细管针头相切。

从样品管连接外界大气接口处缓慢抽气，此时样品管内气压逐渐降低，有气泡不断从毛细管口溢出。调整抽气速度，保证气泡逸出速度均匀、缓慢、不连成串。

记下气泡脱离毛细管时微压力测量装置的读数δp，多次重复收集数据，得到最大值δpmax。

将δpmax代入公式(1)：

其中δpmax为微压力测量装置的读数数据。r为所选用毛细管针头的内径半径。σ即为待测溶液的表面张力。

实验结束后，弃去毛细管针头，并用蒸馏水对样品管进行清洗。

下列实施例对本发明进行了进一步的描述，但本发明并不局限于下列实施例。

实例一：正丁醇水溶液表面张力等温线的测量：

1、选用直径(内径)为5mm的毛细管针头，调节循环水浴温度为25℃。

2、以逐级稀释法配制浓度约为0.0164至0.900mol/l的正丁醇水溶液。

3、依次测量纯水的δpmax以及各浓度正丁醇水溶液的δpmax。测量数据如下：

4、

5、根据原始数据，结合上述公式(1)作浓度关于表面张力及表面超量的数据图(数据图见附图6、附图7)。

6、根据数据图(附图6、附图7)，即得到正丁醇水溶液在不同浓度下的表面张力及表面超量数据。