一种溶液表面张力测试仪的设计和开发

陈 宁 周志峰 陈 康 宋春月

(上海工程技术大学，上海 201600)

溶液表面张力是物质基本性质的一个重要参数，在研究溶液表面现象及表面活性等方面有重要作用。在众多溶液表面张力测量方法中[1，2]，最大气泡法具有实验原理简单且容易实现等优点，在大学实践教学中被广泛采用。实验研究中通常采用最大气泡法[3]来测量表面张力，通过U形管[4，5]测量，利用刻度尺读取压差，进而计算出溶液表面张力。这种依靠刻度尺读数的方法易引起人为读数误差，且效率低、强度大，更关键的是不能准确记录压力的变化过程。因此，实际应用中常采用微压计[6，7]测量表面张力，利用微压传感器测量U形管的压差，通过LED显示的数值读取压力值，克服了刻度尺读数的人为误差。但仍缺乏准确记录压力变化过程的能力。因为一个气泡从产生到破裂需要一定时间，通常为几秒钟，为了较准确记录压力变化过程，1s内至少要读取40个压力数据，也就意味着1s内LED上显示了40个数据，操作人员要在1s内记录下这40个数据几乎不可能的，因此这种微压计仍不能准确地反映压力变化的过程。

笔者设计、开发了一种具有存储数据和通信能力的溶液表面张力测试仪，1s内可采集50个数据，并能将数据上传到上位机，同时采用VB编制了上位机程序和界面，可将数据显示在上位机上，同时能保存到Excel中，方便处理数据。

1 最大气泡法原理①

1.1 最大气泡法原理

张力表面测定装置如图1所示。

图1 张力表面测定装置

将被测液体装入试管中，再使毛细管下端端面与液面正好相切，滴液漏斗通过控制慢慢滴液，使漏斗内的空气压力慢慢变小，由于压力减小，U形管中的左右液面就会左高右低，同时，支管试管中由于压力减小，会从毛细管中慢慢生成一个气泡，压力继续减小，气泡就会浮起而将要破裂，根据Laplace公式，这时气泡能承受的压力差达到最大值：

(1)

最大压力差可用U形压力计中的最大液压柱差Δh来表示，即：

Δpmax=ρgΔh

(2)

其中ρ为压力计中液体介质的密度。由式(1)、(2)可得：

(3)

K′为仪器常数，可以由水来测定，已知σ水(20℃)=0.07275N/m和测得的Δpmax水(单位为kPa )，由下式可得K′值：

(4)

再根据下式：

σ=K′Δpmax,c

(5)

求得不同浓度溶液的表面张力。其中Δpmax,c为不同浓度c溶液下测得的最大压力差。

1.2 气泡产生过程压力的变化

实验中通过滴水漏斗滴水抽气使体系压力下降，大气压与体系压力差Δp逐渐把毛细管中的液面压至管口，形成气泡，如图2所示。如果毛细管半径很小，则形成的气泡基本上是球形的。当气泡开始形成时，表面几乎是平的，这时曲率半径最大；随着气泡的形成，曲率半径逐渐变小，直到形成半球形，这时曲率半径R和毛细管半径r相等，曲率半径达最小值，而后气泡进一步长大，R变大，附加压力则变小，直到气泡逸出。因此在气泡生成过程中Δp是先增大到最大值而后减小。

图2 气泡生成示意图

2 测试仪的设计和开发

考虑到具体实验的要求，设计采用AT89S52作为CPU，其运算速度完全能满足实验的要求，其具有全双工USART接口，方便与上位机通信，具有布尔运算，可灵活编写程序。

2.1 系统硬件设计

系统硬件结构框图如图3所示。

图3 测试仪系统硬件结构框图

图3中存储器采用上电复位、看门狗定时器、电源电压监控和块锁保护功能于一体的串行EEPROM，存储离线模式下采集的压力数据，同时作为看门狗定时器监控系统，在系统死机时复位系统。采用11.059 2MHz晶振，保证串口通信时的准确性。按键为人机交互接口，设计了开始、复位、停止、单位转换、上传和校零6个功能键，控制测试仪的运行。LED用于显示当前气泡的压力值。通信模块采用RS232和USB双通信接口，适应不同的应用需求，在在线模式下直接将当前压力测量值传到上位PC，在离线模式下读取存储器存储的压力值上传到PC。

传感器采用霍尼韦尔公司的数字微压传感器，量程为1.245kPa，精度2%，满足实验的要求。该传感器具有抗干扰能力强、精度高及便于操作等特点。

2.2 下位机设计

下位机采用C51开发，系统设计了两种运行模式：离线模式和在线模式。离线模式时，没有和上位机连接，将测得的压力数据存储在存储器中，在需要的时候通过通信模块将数据上传到上位机，同时在上位机设计了传输按钮，在需要的时候点击该按钮就可上传离线模式下采集的数据。在线模式时，和上位机相连，通过通信接口实时地向上位机传输采集到的压力数据，上位机设计了开始按钮，点击即可实时采集压力数据。下位机软件流程如图4所示。

图4 下位机软件流程

图4中开始程序对系统进行初始化：T0定时器工作方式1，定时20ms，边沿触发；T1定时器工作方式0，波特率设置为9 600bit/s；串口工作方式1并允许接收；设置看门狗和存储器块保护；初始化各标志位；LED检测；打开外部中断和定时器T0中断；最后启动定时器T0、T1。

读压力传感器：霍尼韦尔数字微压传感器支持I2C协议，具体流程图见ASDX器件的datasheet。

2.3 上位机设计

上位机程序采用VB开发，上位机和下位机的通信利用MSComm控件中的OnComn事件做接收数据处理[8]，这样可实时接收数据并保存、显示。为保证传输数据的正确性，在上传的每个压力值前加上帧头(10H，7FH)，这样可保证数据的正确、同步。上位机界面如图5所示，点击保存可将测得的数据保存到Excel表中[9]，并直接生成Excel图，方便处理数据。同时，在图5中，可控制采集数据的开始、停止及清零等功能，也可立即显示最小、最大值。

图5 VB上位机界面

3 数据处理

实验采用设计的测试仪，以水为溶液，1～2s产生一个气泡，采样频率为50Hz，实验测得的数据如图6所示。

图6 实验数据分布

根据气泡生成压力变化的原理可知，在气泡曲率半径R和毛细管半径r相等时，曲率半径达最小值，此时Δpmax水最大，由图7可见压力变化相对缓慢，Δpmax水=1067Pa。而后气泡进一步长大，R变大，附加压力则变小，直到气泡逸出破裂，压力迅速回到20Pa左右。

由图6可知，笔者设计的测试仪能完全记录气泡在产生到破裂之间压力值变化的全过程，展现气泡生成过程的压力变化，此测试仪可以满足实验的要求。

4 结束语

设计的表面张力测试仪采用高精度的数字输出传感器，将数据实时上传到上位机中，并可将数据保存到Excel中，方便处理数据，简化了实验处理程序。1s采集50个数据可方便、准确地测得所需的数据，提高了做实验的成功率和准确性。同时，记录的数据可反映气泡生成时压力差的变化曲线，有助于理解气泡生成过程和最大气泡法的原理。