用新型气泡最大压力法快速测定液体表面张力的研究哈尔滨理工大学李大勇黑龙江省机械制造学校董 庆波摘要本文论述了用新型气泡最大压力法快速测定液体表面张力的基本原理、测试装置、测试方 法和测试结果。研究发现，采用单管吹气，通过监测和分析排气压力随时间变化的曲线，可以快速 测定液体表面张力，为研制液态金属表面张力快速测定装置奠定了基础。关键词表面张力，快速测 量，新方法Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｂａｓｉｃｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｔｈｅｄｅｖｉｃｅ，ｔ ｈｅｍｅｔｈｏｄａｎｄｔｈｅｒｅｓｕｌｔｏｆｍｅａｓｕｒｉｎｇｌｉｑｕｉｄｓｕｒｆａｃ ｅｔｅｎｓｉｏｎｆａｓｔｗｉｔｈｎｅｗｍａｘｉｍｕｍｂｕｂｂｌｅｐｒｅｓｓｕｒｅｍｅｔ ｈｏｄａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｔｈｉｓＰａｐｅｒ．Ｉｔｈａｓｂｅｅｎｆｏｕｎｄｔ ｈａｔｌｉｑｕｉｄｓｕｒｆａｃｅｔｅｎｓｉｏｎｃａｎｂｅｍｅａｓｕｒｅｄｆａｓｔｂｙｂ ｌｏｗｉｎｇａｉｒｉｎｔｏｌｉｑｕｉｄｗｉｔｈｓｉｎｇｌｅｐｉｐｅａｎｄｔｅｓｔｉｎｇ ｔｈｅｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｂｕｂｂｌｅｐｒｅｓｓｕｒｅ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｉ ｓｒｅｓｕｌｔｗｅｃａｎｄｅｖｅｌｏｐａｎｅｗｔｙｐｅｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｆｏｒｍｅａ ｓｕｒｉｎｇｌｉｑｕｉｄｓｕｒｆａｃｅｔｅｎｓｉｏｎｆａｓｔ．１前言现代科学技术的发展 ，对基础工业——铸造业的生产水平提出了更高的要求，提高铸件质量、降低生产成本是摆在铸造 工作者面前的重要课题。从根本上说，实现高质低耗铸造生产的关键在于生产过程的可靠监控。具 备高质量液态合金和合格的铸型，是生产优质铸件的基本条件。就液态合金质量控制而言，传统的 理化检验已不能满足炉前实时控制的要求。因此，人们在不断研究和探索新的快速检测方法。长期 研究表明，液态合金表面张力对铸件结晶、凝固过程的表面粗糙度、合金中气体的析出、合金的精 炼及孕育过程等具有重要影响。因此，研究液体表面张力快速检测方法，对于研制液态合金质量炉 前快速检测装置具有十分重要的现实意义‘”ＺＮ定液体表面张力的理论基础液体表面层的质点（ 分子、原子或离子）受到一个指向液体内部的合力作用，若要增大液体表面积，就要反抗这个指向 液体内部的合力而作功。因此，液体表面层的质点比内部质点具有较多的能量，这部分多出的能量 称为表面能。可以认为，沿液体表面并与表面平行存在一种力图使表面缩小的张力，这种张力称为
液体表面张力，用。（达因／厘米）表示。测定液体表面张力的方法很多，一般分动力学方法和田 力学方法两大类。动力学方法以测量决定某一过程特征的数值来计算表面张力，如毛细管波法、振 动商法等。好力学方法则通过测定某一状态下的某些特征数值来计算表面张力，如毛细管上升法、 拉简法、
气泡最大压力法、静滴法、悬滴法和满重法等＊］。为了取得较精确的测量结果，目前多 数采用＠力学方法，其中尤以气泡最大压力法为主。。测量和计算液体表面张力的基础是物理学中 的拉普拉斯公式，即它表示了任意形状的弯曲液而由于表面张力所产生的附加压力Ｐｒ，液体表面 曲率ＲＩ、见和液体表面张力０之间的关系。对于球形弯曲黑龙江省自然科学基金液面，球面下的 附加压力为：在弯曲界面各点，除附加压力外，还作用有液体静压力。一般情况下，取界面上某点 为原点，即可计算出坐标为Ｚ的任意点静压力Ｐ：式中：Ｐ。为原点静压力；Ａ为下介质密度；内 为上介质密度；ｇ为重力加速度。界面处于平衡状态时，静压力、表面张力和界面上任何一点的曲 率半径之间的关系，可用如下界面方程式表示：直接测量液体表面曲率半径非常困难，因此难以用 上式直接求得表面张力，一般是给相界面以特定的形状，利用测得的有关参数通过（４）式计算表 面张力。３测试方法及冽武装置研究早在１８５１年就有人提出用气泡最大压力和定液体表面张力 的方法＊‘，其基本工作原理如国１所示。将一根毛细管垂直插人被测液体表层并吹人气体，随着 气泡不断长大，气泡曲率半径逐渐降低，气泡内压力增加，当气泡半径与毛细管半径相等时，其曲 率半径最小，气泡内压力最大。气泡内再进气时，随其半径增大，压力随之降低，宜至气泡脱离管 口。如果已知被测液体密度为八，毛细管半径为歹，插入深度为ｈｌ，则气泡最大压力凡与液体表 面张力ａ之间的关系为：式（５）即为用气泡最大压力法测定和计算表面张力的基本公式。式（５ ）表明，只要严格控制或测出毛细管插入深度ｈｌ，通过测定气泡最大压力见即可求得表面张力。 。但精确测量和严格控制毛细管的插入深度在实际测量中都难以做到，为此有人采用双管吹气法测 量，。以消除式（５）中的静压项。其方法是用两只同质异径（ｒ’和ｒ’）的毛细管插入液体同 一深度，同时测定两只毛细管中的气泡最大压力Ｐａ和民，通过如下公式计算表面张力ａ，即式中 的Ｐ．和Ａ或利用两套测压装置测定，或利用压差传感器测定其差值Ａｆ一ｐ４—ｐｈ。前者测试 装置复杂，后者需要控制两管同步排气，两者均不适于现场快速检测。回１气泡最大压力法工作原 ｚ示意回为了快速测定气泡最大压力，我们提出了一种新方法并设计了如图２所示的单管吹气测压 装置。该装置主要由测压探头、气派和敬压差电测系统构成。回２气泡最大压力被邀回定范亚测压 探头具有吹气和恻压双重功能，为了准确测定气泡内压力变化，在吹气管前端提取压差信号。为寻 求合宜气派，做了大量试验对比工作。从理论上讲，为避免液态金属与气体发生氧化反应，气源应 选用性气体，但吹气试验证明，使用普通空气作气源亦可收到满意效果，因此确定普通空气为气源 。供气装置为微型气泵，其启停动作用单片微机系统控制，压缩空气输出回路设有气压调节阀门。 系统启动后，微型气泵向吹气管提供恒压气源，压缩空气经探头上的缓冲室和毛细管吹人被测液体 。在气泡形成的过程中，缓冲室内气压变化由微压差传感器变成电压信号，经放大器放大后送人单 片机系统，通过记录和分析吹气过程中缓冲室中气压变化曲线，从中提取与气泡最大压力相关的特 征参数。４测试结果及讨论利用图２所示装置向水中吹人普遍压缩空气，所记录的缓冲室内气体压 力变化曲线如图３所示，它代表了气泡内部的压力变化情况。证明气泡从形成到长大、直至脱离管 口而逸出的过程中，气泡内压力变化遵循三角波形的规律，控制气源稳定吹气，可以获得一系列三 角形等福振荡曲线。４．１毛细管插入深度及液体表面张力对曲线形状的影响式（５）指出，气泡 最大压力由被测液体形压力及表面张力所决定。在同一液体中不同插人深度的测试表明，随着插入 深度的增加，等幅振荡曲线的中线位置升高，即图３中ＰＩ值增大，而对三角波幅值没有影响，Ｐ ｌ值可看作式（５）中液体静压项Ａ外的表征。目３＄冲室内气体压力变化曲线对几种具有不同表 面张力的液体测定结果证明，表面张力对三角波振幅具有显著影响，表面张力越大，三角波幅值上 Ｐ越高，凸Ｐ值可看作式（５）中２。／ｒ项的表征。尽．２吹气泡速度与三角波幅值的关系由于 Ｍ的变化代表了ａ的变化，因此准确测定表面张力。的前提是精确测量三角波幅值乙Ｐ。对于同一 液体而言，影响Ｍ值的主要因素是吹气泡速度，吹气泡速度越高，则已Ｐ值越小，反之则面Ｐ值越 大，如图３所示。在保持吹气量不变的条件下，更换被测液体后，将会使吹气泡速度发生改变，从 而使三角波幅值面产发生变化，两者关系如前所述。因此，我们有可能通过西Ｐ值和吹气泡速度来 计算液体表面张力。４．３计算液体表面张力的数学模型由以上分析不难看出，采用新型气泡最大 压力法快速测定液体表面张力，是以连续吹气过程中缓冲室内气体压力的波动幅度评定表面张力， 而这种气压波动幅度又受吹气泡速度的影响，考虑到液体温度对表面张力的影响，计算液体表面张 力的数学模型应具有如下形式：。一Ｋｌ·Ａｆ·ｎ－ｆ－ＫＺＴ（７）式中，。为液体表面张力 （达因／厘米）；乙Ｐ为缓冲室内气体压力波动幅值（Ｐａ）；ｎ为吹气泡速度（个／秒）；Ｔ为 被测液体温度（Ｃ）；Ｋｌ、Ｋ。为与气派和液体性质有关的系数。利用图２所示装置对几种常温 液体进行了测试，经数据处理后所得数学模型如下：４．３．ｌ水表面张力数学模型内一１．９３ ７５Ｍ·ｎ—０．１６Ｔ（８）４．３．２酒精表面张力数学模型ｄＮｆｆ一１．８７８９Ａｆ· ｎ—０．０８Ｔ（９）４．３．３丙同表面张力数学模型ｄＷＮ一２．００２７Ａｆ·。一０．０ ９Ｔ（１０）吕结论新型气泡最大压力法能实现液体表面张力的快速测定。通过微机数据采集系统 同时测定缓冲室内气体压力波动幅值、吹气泡速度和液体实际温度来计算表面张力，消除了毛细管 病人深度对测定结果的影响，为研究液态金属表面张力现场快速检测技术奠定了基础。参考文献｜ ｜１苏应龙等．液体金属的表面张力对铸造工程的影响．铸造技术，１９８６（６）：２３～２５ ２王常珍．冶金物理化学研究方法．冶金工业出版社，１９８２用新型气泡最大压力法快速测定液 体表面张力的研究@李大勇，董庆波$哈尔滨理工大学，黑龙江省机械制造学校表面张力，快速测 量，新方法本文论述了用新型气泡最大压力法快速测定液体表面张力的基本原理、测试装置、测试 方法和测试结果。研究发现，采用单管吹气，通过监测和分析排气压力随时间变化的曲线，可以快 速测定液体表面张力，为研制液态金属表面张力快速测定装置奠定了基础。１苏应龙等．液体金属 的表面张力对铸造工程的影响．铸造技术，１９８６（６）：２３～２５２王常珍．冶金物理化学 研究方法．冶金工业出版社，１９８２黑龙江省自然科学基金不适于现场快速检测。回１气泡最大 压力法工作原ｚ示意回为了快速测定气泡最大压力，我们提出了一种新方法并设计了如图２所示的单管吹气测压装置。该装置主要由测压探头、气派和敬压差电测系统构成。回２气泡最大压力被邀回定范亚测压探头具有吹气和恻压双重功能，为了准确测定气泡内压力变化，在吹气管前端提取压差信号。为寻求合宜气派，做了大量试验对比工作。从理论上讲，为避免液态金属与气体发生氧化
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