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哈尔滨理工人学工学硕i ：学位论文 合金熔体表面张力与密度同步检测方法及装置研究 摘要 表面张力和密度是液态合金重要的物性参数，它们不仅是研究其界面反 应动力学的基础，而且在冶金和铸造过程也起着重要作用。表面张力与铁合 金中的石墨形态及铝合金的变质处理效果以及液态金属的充型能力有很大关 系，密度影响不同熔体间的分层和分离，对探讨熔体的结构具有实际意义。 因此，研究液态合金表面张力和密度的快速检测方法具有重要的理论价值和 实际价值。 本文通过对表面张力及密度检测方法的分析，采用基于拉普拉斯方程建 立的气泡最大压力法作为同步检测液态合金表面张力及密度值的理论基础。 基于对该方法的理论分析和模拟检测过程控制，确定了实际检测过程中准确 测量的前提条件：检测用毛细管应尽量选用内径为1 2 m m 的耐高温石英 管，插入液体深度应控制在1 0 m m 一2 0 m m 、两次下降深度差为5 m m - - - 1 0 m m 之间，毛细管端口应尽量圆整，且壁厚在0 3 m m 以内，吹气速度应以 1 0 - - - 2 0 s 产生一个气泡为佳。 为达到炉前快速检测的要求，设计检测装置由计算机、a d a m 4 0 1 8 模 块及其扩展电路、多功能测试探头、供气回路、升降机构、坩埚的推进和送 出机构构成。检测结果可在计算机界面显示和通过打印机打印输出。 关键词表面张力；密度；气泡最大压力法：同步检测 哈尔滨理t 人学工学硕j j 学位论文 r e s e a r c ho nm e t h o da n dd e v i c ef o rs y n c h r o n o u s l y m e a s u r i n gs u r f a c e t e n s i o na n dd e n s i t y o f l i q u i da l l o y a b s t r a c t s u r f a c et e n s i o na n dd e n s i t ya r e i m p o r t a n tp h y s i c a lp a r a m e t e r so fl i q u i d a l l o y s t h e ya r en o to n l yt h eb a s i so fs t u d y i n gi n t e r f a c er e a c t i o nd y n a m i c s ，b u t p l a yas i g n i f i c a n tr o l e i nm e t a l l u r g ya n df o u n d r y s u r f a c et e n s i o nh a sc l o s e r e l a t i o nw i t ht h eg r a p h i t es h a p eo fc a s ti r o n ，t h em o d i f i c a t i o ne f f e c to fa l u m i n u m a l l o ya n dt h ef i l l i n gc a p a c i t yo fl i q u i dm e t a l s d e n s i t yi sa l s ov e r yi m p o r t a n tf o r s t u d y i n gt h es t r u c t u r eo fm o l t e ns u b s t a n c e sb e c a u s ei ta f f e c t st h es t r a t i f i c a t i o n a n ds e p a r a t i o no fd if f e r e n ts u b s t a n c e s t h e r e f o r e , i th a s i m p o r t a n tp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c eo fs t u d y i n gt h em e t h o d sf o rf a s tm e a s u r i n gt h es u r f a c et e n s i o na n d d e n s i t yo fl i q u i da l l o y s t h r o u g ha n a l y z i n gt h em e t h o d sf o rm e a s u r i n gs u r f a c et e n s i o na n dd e n s i t y , t h em a x i m u mb u b b l em e t h o de s t a b l i s h e db yt h el a p l a c ee q u a t i o ni su s e dt o s y n c h r o n o u s l ym e a s u r i n gt h es u r f a c et e n s i o na n dd e n s i t yo fl i q u i da l l o y s b a s e d o nt h ea n a l y s i sf o rt h i sm e t h o da n dt h es t u d yo fs i m u l a t i o nm e a s u r e m e n t p r o c e s s ， t h ef o l l o w i n gp r e r e q u i s i t e sf o ra c c u r a t em e a s u r e m e n ta r eo b t a i n e d t h ec a p i l l a r y s h o u l dc h o o s eh i g h t e m p e r a t u r er e s i s t a n tq u a r t zt u b e sw i t hi n n e rd i a m e t e ro f1 2 m m t h ed e p t hd i p p i n gi n t ot h el i q u i d ss h o u l db ec o n t r o l l e dw i t h i n10 m m 2 0 m m t h ed e p t hd i f f e r e n c eb e t w e e nt w od i p p i n gs h o u l db e5 m m 一10 r a m t h e p o r to ft h ec a p i l l a r yw i t hw a l lt h i c k n e s so fl e s st h a n0 3 m ms h o u l db ea sr o u n da s p o s s i b l e t h eb l o w i n gv e l o c i t ys h o u l db eo n eb u b b l ep e r10 2 0s e c o n d s i no r d e rt om e e tt h er e q u i r e m e n t sf o rf a s tm e a s u r m e n ti nf r o n to ff u r n a c e 。 t h em e a s u r i n ga p p a r a t u si sc o m p o s e do fa na d a m 4 0 18m o d u l ea n dt h ee x t e n d e d c i r c u i to ft h em o d u l e ，am u l t i - f u n c t i o n a ld e t e c t i o np r o b e ，ag a ss u p p l yc i r c u i t ，a l i f t i n gm e c h a n i s m ，af e e d i n ga n dw i t h d r a w i n gm e c h a n i s mf o rac r u c i b l e ，a n c o m p u t e r t h em e a s u r e m e n tr e s u l tc a nb ed i s p l a y e db yc o m p u t e ri n t e r f a c ea n d - i i - p r i n t e db yt h ep r i n t e r 哈尔滨理下大学t 学顾 j 学位论文 k e y w o r d ss u r f a c et e n s i o n ，d e n s i t y , m a x i m u mb u b b l em e t h o d ，s y n c h r o n o u s m e a s u r e m e n t i i i 哈尔滨理t 大学t 学硕十学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 随着现代工业的迅速发展，人们对高品位金属材料的需求愈来愈多，因此 研究金属熔体的热力学性质也显得格外重要【i 】。 表面张力是金属熔体的重要性质之一，但在高温下，测试比较难，也不易 测准，研究上有一定难度，致使有关数据至今还很缺乏。因此，有关金属熔体 热物性的数据还需人们在理论和实验方面进行广泛和深入的研究。 在金属的冶炼过程中，液态金属本身、熔锍、熔盐和熔渣的表面性质，以 及界面性质，在许多情况下都起着重要作用。例如，泡沫渣的形成，熔渣和金 属的乳化，熔渣对耐火材料的润湿，夹杂物的生成和聚集，金属和熔渣的分 离，以及界面反应动力学等，无不与表面现象有关【2 4 1 。研究表面张力还可以提 供熔体中质点间作用力、熔体表面结构的重要资料。 此外，在冶金和铸造过程中，液态合金的表面张力也起着非常重要的影 响。液态金属的充型能力、铁水中的石墨形态以及铝合金的变质处理效果无不 与表面张力有很大的关系。金属凝固时，表面张力从很大程度上决定了凝固收 缩是否会引起铸件开裂。砂型铸造过程中，产生机械粘砂与否也主要取决于液 态金属的表面张力。 因此，快速高效的液态金属表面张力检测方法和装置在冶金和铸造生产过 程中具有十分重要的工程意义和理论价值【5 1 。 密度也是冶金熔体的一个重要性质，它不仅是冶金工程设计中基本参数， 同时也影响到不同熔体间的分层和分离，以及生产中的许多动力学现象。由准 确的密度值，还可导出膨胀系数和偏摩尔体积等性质，并确知合金熔化时相结 构的变化等 6 1 。 此外，许多冶金过程，熔体密度还与熔池中熔体所占的体积，电渣重熔时 的渣用量，熔盐电解等密切相关，因而它对热力学函数的计算及探讨熔体的结 构都有价值。 综上，如果能对同一高温熔体试样同步实施表面张力和密度检测，将更具 工程实际意义。 哈尔滨理t 大学丁学硕卜学位论文 1 2 合金熔体常用表面张力检测方法 合金熔体表面张力检测方法总体上可分为动态法和静态法两类。通过测量 决定某一过程特征的数值来计算表面张力的方法为动态法，主要有毛细管波法 和振荡射流法。动态法适用于表面张力随时间变化快时测量，正是由于这一原 因，在现阶段，动态法测量熔体表面张力误差较大，测量方法和装置并不完 善，因此实际应用时较少。根据液体某一状态下的某些特征值来计算表面张力 的方法为静态法【7 8 1 ，主要的方法有毛细管上升法、气泡最大压力法、旋滴法、 滴重法、变颈法、插入法、电磁悬浮法、拉筒法和液滴外形法( 包括静滴法和 悬滴法) 等。 但是对于液态合金，由于实际检测时需在高温下进行，测量难度和复杂程 度较大，因此，对于液态合金表面张力的测量方法一般有静滴法、拉筒法、气 泡最大压力法法、电磁悬浮法和气泡当量法。 1 2 1 静滴法 静滴法是根据液态合金在水平垫片上自然形成的液滴形状进行计算表面张 力f 9 1 。 平衡状态下，液滴在水平垫片上的形状如图1 1 所示。 i ， i ， i 图1 - 1 水平垫片上液滴形状 f i g 1 - 1s h a p eo fd r o po nt h eh o r i z o n t a lg a s k e t 液态合金表面张力与液态形状之间的关系可利用拉普拉斯方程进行描述， 哈尔滨理t 大学t 学硕 ：学位论文 如下： 11 o r = ( + 却= 昂+ ( 成+ 岛) g z ( 1 一1 ) 吗啦 式中：盯为液滴表面张力，n r n ；足、冗，为液滴主曲率半径，m ；昂为顶 点o 处的静压力，p a ：见、岛为液相和气相密度k 咖3 ；g 为重力加速度，g = 9 8 m s 2 ；z 为以液滴顶点为原点，液滴表面上任意点p 的垂直坐标，m 。 不难看出，液滴的稳定性和对称性是准确测量液态合金表面张力的前提。 为此垫片的材质和水平位置且必须受到严格控制以保证液态影像的清晰度和保 真度。近年来，已有采用x 光照相技术代替传统光学照相和双坐标读数显微镜 的实例，很大程度上提高了测试精度。若以及液滴质量，此方法还可用来检测 液体密度，但误差较大。 1 2 2 气泡最大压力法 气泡最大压力法于1 8 5 1 年由s i m o n 提出【lo 1 1 1 。测量时，将测量用毛细管垂 直插入待测液体内部，再向管中缓慢地通入惰性气体，将有气泡在毛细管端口 逐渐长大，当气泡形状恰好是半球时，此时气泡内的压力值最大，测出这个最 大压力及相关参数，计算得到液体的表面张力值。 该方法应用比较广泛，当测量不同深度的气泡压力时，即可用来测量液态 合金的密度。 1 2 3 拉筒法 水平放置的金属环与液态金属表面接触，由于表面张力作用，环被提起 时，液态金属对其具有向下的拉力，金属环与液面脱离的瞬间拉力达到最大 值，因此可根据这个拉力和相关参数进行计算液态合金表面张力f 1 2 1 。 由图1 2 可以看出，环形液重量即为最大拉力f 与环重w 之差，用公式可以 表征为： f w = m g = 2 1 r r c r + 2 z r ( r + 2 r ) c r ( 1 - 2 ) 盯： ! 二竺 ( 1 3 )盯= il jj 4 7 r ( r + ，) 式中：仃为液体的表面张力，n m ；，为圆筒拉离液面过程中的最大拉力， n ；矿为拉环的重量，n ；r 为拉环的平均半径，m ；，为环线的半径，m 。 哈尔滨理t 大学t 学硕l j 学位论文 图l - 2 拉筒法原理图 ： 。f i g 1 - 2e l e m e n t a r yd i a g r a mo fs l i d em e t h o d 由于被金属环拉起的液环并非严格的圆柱形，所以按照此方法进行计算表 面张力具有一定误差，为此，许多学者对误差校正因子进行全面的研究并制定 相关数据表格，可以基本满足对纯液体表面张力的测量。当液体中含有表面活 性成分时，该方法测量误差较大。 1 2 4 电磁悬浮法 1 9 7 1 年，加拿大马可马斯特大学的w k l u 及同事们首次将电磁悬浮液滴 振荡法运用于表面张力的测定中 1 3 j 。它是一种无需与容器接触的表面张力测量 方法。 其原理为，将被测样品放在高频变换磁场内，样品受洛伦兹力的作用熔化 并悬浮在这个有磁场作用的空间中。当悬浮液滴受到外来微小扰动即产生表面 振荡，用其震荡频率即可表征表面张力。表征关系如式1 4 ： 仃：i3万m缈2(1-4) 仃= 一万m 缈。 8 式中：m 为液滴的质量，k g ；c o 为悬浮液滴的振荡频率，h z 。 但是，由该方法计算熔体表面张力大小是以液滴为球体为前提，实际上由 于振荡时液滴变形偏离球形会造成一定的误差。如果消除重力作用的影响，即 在微重力条件下，精确度可以大大提高。 哈尔滨理工人学工学硕l 学位论文 1 2 5 气泡幅频当量法 气泡幅频当量法是由哈尔滨理工大学李大勇等人提出的一种测量液态合金 表面张力的新方法1 1 4 l 。该方法采用向被测液态合金中吹气的方式，以固定时间 内被测液体中的气泡个数、气泡内压力值以及实时温度为参数进行计算表面张 力。基本原理公式如下： 仃= a n + 6 尸+ c 西+ d t + e ( 1 - 5 ) 式中：为固定时间内气泡个数；a p 为气泡内压差平局值；为毛细管内 径与标准内径之差；t 为液态合金的温度；a ，b ，c ，d ，p 为由合金类型决定的常 系数。 该方法将传统的静态测量气泡最大压力法变为动态测量，放宽了测试条件 的同时，也提高了测试精度，达到了炉前快速检测液态合金表面张力的要求。 1 3 合金熔体密度常用检测方法 除了以上提出的使用气泡最大压力法和滴外形法测量熔体密度之外，一般 还有以下几种方法。 1 3 1 流体静力称量法 该方法基于阿基米德原理，利用测定浸在液态合金中的物体所受静压力求 得被测液体密度悯。其特点是精度高，操作简单。该方法对于固液体密度的测 定均适用。 1 3 2 密度瓶法 将被测液态合金注满体积已知的容器，通过测量凝固后的质量求出其密度 的方法称为密度瓶法【幡1 7 1 。该方法在很大程度上消除了表面张力对其影响，所 以测定精度较高。为了保证密度瓶体积的准确性，密度瓶材质应具有良好的加 工性以及热稳定性，并且体膨胀系数已知且不能与被测液体发生化学反应，一 般采用石英玻璃、a 1 2 0 3 和石墨。测量时，密度瓶体积为常数。 哈尔滨理_ t 大学t 学硕 ? 学位论文 1 3 3 膨胀计法 将一定质量的被测液态合金装入膨胀计中，根据液体弯月面的高度进而确 定体积，进而求出液态合金密度的方法为膨胀计法【1 8 i 。其最大优点在于可以连 续测定随温度变化的液态合金的体积变化。 对于膨胀计材质的要求相同于密度瓶法的要求。同时，为保证测量精度， 对弯月面的影响必须进行修正。 1 3 4 丫射线衰减法 y 射线透过被测液态合金时，丫射线被比例的吸收后而衰减，利用此方法 测定液态合金密度的方法为丫射线衰减法【啪0 1 。其基本原理公式为： i = i oe x p ( 一a m d p ) ( 1 6 ) 式中：厶为入射前丫射线强度；，为入射后y 射线强度；。为质量吸收系数； d 为被测液体的厚度，m ；p 为被测液体的密度，k g m 3 。 这种方法的最大的优越性在于它可以连续的测定，而且可以消除液体表面 张力及液面污染的影响。利用该方法测定液态合金密度时必须做好丫射线防护 问题。 1 4 主要研究内容 本文基于毛细管二次下降法，采用拉普拉斯方程同步检测合金熔体表面张 力及密度。主要研究检测原理、测试误差、检测装置计算机控制方法等。 液态合金表面张力及密度同步快速检测采用电控电动方式工作，在计算机 控制下完成气流大小的自动切换、毛细管插入液态合金深度的自动监测、探头 自动提起等一系列动作，实时采集温度，传感器电压、下降深度等参数，最后 调用计算机内存储的数学模型及公式计算液态合金表面张力及密度值。 该同步检测方法的核心为计算机测控系统，主要负责检测设备的各种机械 动作、数据采集与处理、界面显示、打印等。 哈尔滨理t 大学t 学硕卜学位论文 第2 章表面张力与密度同步检测方法研究 应用计算机技术检测液态合金表面张力及密度是一种既快速又准确的检测 方法，一方面，它不仅能够适应生产现场的要求；另一方面，现代电测技术与 静力学相结合的高精度检测技术很大程度上摒除了传统检测的一些弊端2 心2 1 。 2 1 表面张力和密度同步检测原理 液体表面张力及密度同步检测基于气泡最大压力法。该方法最早主要为检 测液体表面张力，后来由c a n t e r 、j a e g e r 分别从理论和实用角度加以发展2 3 2 5 】。 拉普拉斯方程是气泡最大压力法同步检测液态合金表面张力和密度的理论基 础。 设密度为p 的液体中，插入半径为，的毛细管，插入深度为 ，通过毛细 管向液体吹入气体，随着气体的吹入毛细管口会出现一个不断长大的气泡，随 着气泡的不断长大，气泡的曲率半径将由大变小，当曲率半径变d , n 最小值后，、 又开始变大，这个最小曲率半径就等于毛细管的半径，当气泡半径恰好等于r 时，此时气泡呈半球形状，并具有最大的气体压力。 p ：堡+ 啊昭( 2 - 1 ) 图2 - 1 气泡最大压力法原理图 f i g 2 1e l e m e n t a r yd i a g r a mo fm a x i u m b u b b l ep r e s s u r em e t h o d 式中：p 为毛细管内气体压力；h 为毛细管插入液体的深度；p 为被测液体的 喻尔滨理t 大学t 学硕十学位论文 密度；仃为被测液体的表面张力；g 为重力加速度；r 为任意时刻气泡的曲率 半径。 根据式( 2 1 ) 只要测出毛细石英管的内径，插入深度h 和气泡最大压力 p ，如果已知液体密度p 即可计算液体的表面张力仃；反之，如果已知液体表 面张力仃即可计算液体的密度p 。所以，液体的表面张力及密度的同步测量方 法可以有两种，即单管两次吹泡法和双管一次吹泡法。 2 1 1 单管两次吹泡法 如图2 2 所示，将一内径为，的毛细管两次分别插入待测液体深度为j l i 和 7 1 2 ，两个插入深度分别测得最大压力已。和己：，然后利用测得的己。和己：求出 待测液体的密度和表面张力。 图2 2 单管两次吹泡法原理 f i g 2 - 2e l e m e n t a r yd i a g r a mo f o n e c a p i l l a r yw i t ht w i c eb l o w i n gg a s 具体操作时，可采用如下方案： 1 使用内径，毛细管垂直插入液体深度h l ，进行第一次试验，测得最大 压力数据结果i ，相应的公式为己。= t i g p + 2 0 r ； 2 用同种毛细管垂直插入液体深度如，即改变毛细管的插入深度，其它 参数均不变，进行第二次试验，同样取得数据结果只：，相应的公式为 己2 = h 2 9 p + 2 a ，； 3 根据已l = 1 5 z i g p + 2 0 r r 和乞2 = h 2 9 p + 2 盯r 两个公式解得方程即可得出 表面张力盯和密度p 的结果。 哈尔滨理t 大学t 学硕卜学位论文 2 1 2 双管一次吹泡法 如图2 3 所示，将两根不同内径，1 和r 2 的毛细管同时插入待测液体内部同 高度h ，测出毛细管，1 和r 2 插入待测液体中该高度h 时对应的气泡最大气压 。和己：，最后，利用测得的己。和：求出待测液体的密度和表面张力。 图2 3 双管一次吹泡法原理 f i g 2 - 3e l e m e n t a r yd i a g r a mo ft w oc a p i l l a r i e sw i t ho n c eb l o w i n gg a s 具体操作时，可采用如下方案： 1 首先使用内径，；毛细管垂直插入液体，进行第一次试验，测得最大压 力数据结果巴l ，相应的公式为己l = h g p + 2 c r r m ； 2 选择另一支内径为 的毛细管，即改变毛细管的内径，其它参数均不 变，进行第二次试验，同样取得数据结果己：，相应的公式为 只2 = h g p + 2 ( y r 2 ； 3 根据p m l = h g p + 2 0 r 和己2 = h g p + 2 0 r r 2 两个公式解得方程即可得出 表面张力盯和密度p 的结果。 由求解表面张力和密度的原理公式即式( 2 2 ) 可以看出，毛细管内径大小以 及插入液体深度的准确测量对检测结果有着很重要的影响。所以毛细管内径及 插入液体深度的测量方法极其关键和重要。测量毛细管内径可利用放大读数镜 或者向毛细管内充入一定体积的液体利用体积公式多次求平均值求得。 而毛细管插入液体深度的测量关键在于零点的确定，即毛细管端口刚接触 液面时的位置。由于利用压力计常规检测毛细管插入液体内部深度的方法比较 繁琐且达不到所需精度，所以必须对毛细管插入液体深度进行自动准确的检测 方能达到生产现场快速准确的检测要求。 哈尔滨理t 大学t 学硕j l 学位论文 双毛细管法同步检测虽然不必考虑毛细管插入液体深度带来的影响，但在 一定程度上会加测量成本，而且双管之间产生的气泡造成相互干扰，因此，本 文采用单管两次吹泡法同步检测液态合金表面张力及密度值。 2 2 常温液体的模拟测试 为了适应生产现场快速、同步的检测要求，应对该检测原理以及控制系统 进行初步分析，所以本论文选用常温液体蒸馏水和酒精进行模拟测试，进而分 析系统优化过程。 本试验采用单管两次吹泡法来同步测量液体表面张力和密度，测量的简易 试验测量装置主要由探头机构、支架、升降台、供气单元、信号采集模块、模 数转换器、计算机和电源等组成，其具体构成如图2 4 所示。 压力变送器 图2 4 气泡最大压力法同步检测液体表面张力和密度简易试验装置示意图 f i g 2 4e x p e r i m e n t a ld e v i c es c h e m e so f m e a s u r i n gs u r f a c et e n s i o na n dd e n s i t yb yt h em a x i m u m b u b b l ep r e s s u r em e t h o d 在升降台的作用下，装有被测液体的烧杯可自由上下升降，以便控制毛细 哈尔滨理工大学工学硕上学位论文 管插入液体的深度。供气单元用来提供具有恒定压力的气源。a d a m 4 0 1 8 模块 负责实时采集由压差传感器输出的信号，将气泡内压力的变化以模拟电信号的 形式输出转换为数字信号，计算机通过预先编写好的程序将数字信号转换成电 压值并记录下来。 工作过程如下，将一根毛细管插入待测液体中，由供气单元缓慢吹入气 体，使毛细管末端能够缓慢的吹出气泡，经由压差传感器输出和气压相对应的 电压值，经数据采集模块和模数转换器处理后，由计算机记录不同高度或不 同毛细管内径时的传感器输出电压，最后算出气泡曲率半径等于毛细管内径时 的最大气压，继而测出待测液体的表面张力及密度值。 2 2 1 不同内径毛细管测定水表面张力和密度 在其它条件都相同的条件下，采用不同内径毛细管所得水的表面张力数据 如表2 - 1 所示。表中h 为毛细管插入待测液体中的深度，广为毛细管的内径，己 为气泡内最大压力，盯为待测液体的表面张力。 表2 1 不同内径毛细管测得水的表面张力数据 t a b l e2 - 1s u r f a c et e n s i o nd a t ao fw a t e rm e a s u r e db yv a r i o u si n n e rd i a m e t e rc a p i l l a r y 毛细管内径插入深度最人压力p m表面张力( m n m ) r ( r a m )h ( m m ) ( p a ) 测得值理论值 51 8 9 1 02 3 67 3 3 2 1 52 8 77 2 1 1 1 0 07 2 8 2 03 3 77 1 7 6 2 53 8 87 1 6 9 3 04 3 77 0 7 5 51 4 l 1 0 1 9 27 3 4 9 1 5 2 4 37 3 8 4 1 6 57 2 8 2 02 9 37 2 6 9 2 5 3 4 37 2 6 9 3 03 9 37 2 7 3 51 3 l 1 01 8 07 4 0 7 1 5 2 2 97 3 7 8 2 0 07 2 8 2 02 7 87 3 4 6 2 53 2 77 2 5 6 3 03 7 57 2 3 5 由表2 1 可以看出，在同一液体深度下，随着毛细管内径的增大，测得水 哈尔滨理丁大学丁学硕 学位论文 的表面张力的值也随之增大，但相同内径下测得表面张力值重复性较好。 对于同一内径毛细管来说，随着插入液体深度的增加，表面张力值也随之 增大，相同深度下测得表面张力值重复性较好。 在其它条件都相同的条件下，采用不同内径毛细管所得水的密度数据如表 2 2 所示。 ： 表中h 为毛细管插入待测液体中的深度，为毛细管的内径，为气泡内 最大压力，p 为水的密度。 表2 - 2 不同内径毛细管测得水的密度数据 t a b l e 2 2 ) e n s i t yd a t ao fw a t e rm e a s u r e db yv a r i o u si n n e rd i a m e t e rc a p i l l a r y 毛细管内径 插入深度 最大压力p m 密度( k g m 3 ) r ( n u n ) h ( m m ) ( p a ) 测得值 理论值 51 8 9 1 02 3 6 9 6 3 9 1 52 8 7 1 0 3 8 1 1 0 0l o o o o 2 03 3 71 0 3 0 3 2 53 8 81 0 3 0 3 3 04 3 79 9 7 8 51 4 1 1 01 9 29 9 8 5 1 52 4 39 9 8 6 1 6 51 0 0 0 0 2 0 2 9 3 9 9 7 3 2 53 4 39 9 6 1 3 03 9 39 9 7 2 51 3 l 1 01 8 0 9 9 8 4 1 5 2 2 9 9 9 8 8 2 0 01 0 0 0 0 2 0 2 7 8 9 9 9 6 2 53 2 79 9 8 4 3 03 7 59 9 7 8 由表2 2 可以看出，随着毛细管内径及插入深度的改变，测得水的密度值 没有发生明显变化，说明该两种因素对测得密度的值没有明显影响。 2 2 2 不同内径毛细管测定酒精表面张力和密度 在其它条件都相同的条件下，采用不同内径毛细管所得酒精的表面张力及 密度数据如表2 3 、表2 4 所示。 表中h 为毛细管插入待测液体中的深度，为毛细管的内径，己为气泡内 最大压力，盯为待测液体的表面张力。 哈尔滨理下大学工学硕上学位论文 表2 3 不同内径毛细管测得酒精的表面张力数据 t a b l e2 - 3s u r f a c et e n s i o nd a t ao fa l c o h o lm e a s u r e db yv a r i o u si n n e rd i a m e t e rc a p i l l a r y 毛细管内径插入深度最大压力p m表面张力( m n m ) ，( m m ) h ( m m ) ( p a ) 测得值理论值 58 6 l o1 2 62 4 7 4 1 0 0 1 5 1 6 52 3 3 5 2 2 4 2 02 0 42 3 5 9 2 52 4 32 2 3 8 57 3 1 01 1l2 6 6 0 1 6 52 2 4 1 5 1 5 0 2 6 1 6 2 01 8 92 5 1 6 2 52 2 82 5 0 8 57 1 1 0 1 1 02 8 7 0 2 0 0 1 51 5 02 7 9 7 2 2 4 2 01 8 92 6 5 7 2 52 2 72 6 7 0 表2 4 不同内径毛细管测得酒精的密度数据 t a b l e2 - 4d e n s i t yd a t ao fa l c o h o lm e a s u r e db yv a r i o u si n n e rd i a m e t e rc a p i l l a r y 毛细管内径 插入深度最大压力p m密度( k g m 3 ) r ( n u n ) h ( m m ) ( p a ) 测得值理论值 58 6 1 01 2 68 1 0 6 1 0 0 1 51 6 58 0 6 2 8 0 0 0 2 02 0 48 0 2 2 2 52 4 38 0 2 3 57 3 1 01 1 18 0 3 4 1 6 5 1 51 5 08 0 2 6 8 0 0 o 2 0l8 98 0 3 5 2 52 2 88 0 2 8 57 l 1 0l l o 8 0 2 6 2 0 0 8 0 4 6 8 0 0 0 1 51 5 0 2 01 8 98 0 6 5 2 52 2 78 0 4 3 1 3 哈尔滨理下大学t 学硕十学位论文 2 3 同步检测过程中若干影响因素研究 由于采用该方法测量的是气泡内最大压力的绝对值，因此，测量过程可能 受多种因素的影响，如毛细管内径大小、毛细管入水深度、毛细管端口形状、 壁厚以及吹气速度等 2 6 - 2 8 】。因此，研究各因素对气泡最大压力法同步检测液体 表面张力和密度的因素具有重要的意义。本文以常温液体为研究对象，分别研 究和分析了毛细管内径、毛细管入水深度、毛细管端口形状以及吹气速度的影 响规律，为准确测定表面张力和密度奠定了基础。 2 3 1 毛细管内径对测量结果的影响 通过检测水的对比试验可以看出，毛细管内径对密度的测量结果影响并不 显著，但是对表面张力有显著影响。随着毛细管内径增大，所测得的表面张力 值增大，小内径毛细管比大内径毛细管测得的表面张力值更接近于标准值。结 果如图2 5 所示 昌 鼍 趔 r 卷 喧 秣 毛细管内径m m 图2 5 不同内径毛细管在同一深度下测得表面张力及密度值 f i g 2 - 5s u r f a c et e n s i o na n dd e n s i t ym e a s u r e db yv a r i o u si n n e rd i a m e t e rc a p i l l a r ya tt h eg a m e d i p p i n gd e p t h 罢 _ o 趔 越 糖 哈尔滨理工大学t 学硕十学位论文 这是由于使用拉普拉斯方程计算表面张力时，气泡成半球形时具有最大压 力值。而小内径毛细管端口要比大内径毛细管端口更易形成标准半球形气泡， 大内径毛细管若要达到半球状态需要更多的压力补充致使测得最大压力值偏 大，导致测得表面张力值增大。所以，实际检测中，在保证能均匀出泡的情况 下，毛细管内径的选择越小越好，原则上应控制在l m m 2 m m 之间。 2 3 2 入水深度对测量结果的影响 试验测得内径l m m 的毛细管在纯水中不同深度下表面张力及密度值，试 验结果如图2 - 6 所示。试验表明，随着毛细管插入深度增加，表面张力值降 低，而密度变化并不明显。 g 鼍 趔 r 畿 匾 群 喜 _ o x j 四 倒 御 入水深度m l a l 图2 - 6 同一毛细管不同深度下的测得的表面张力及密度值 f i g 2 - 6s u r f a c et e n s i o na n dd e n s i t ym e a s u r e da tv a r i o u sd i p p i n gd e p t hb yt h es a m ec a p i l l a r y 原因是，入水较浅时，压力传感器输出值偏离其线性区间较大，导致计算 结果误差较大；随着入水深度增加，气泡内静压力增大，加上气泡浮力的作 用，使得毛细管端口气泡未达到半球形时即被压扁，在毛细管与端口处形成接 触角p ，此时曲率半径r = r s i n 秒，较毛细管内半径增大，而计算中仍以毛细 管内半径计算，因此致使表面张力值降低( 如图2 7 ) 。 哈尔滨理t 人学_ t 学硕l j 学位论文 a ) 理想深度”较大深度时 图2 7 不同深度下气泡内最大压力对应的毛细管端1 3 气泡形状 f i g 2 - 7t h e b u b b l es h a p ec o r r e l a t e dm a x i m u mb u b b l ep r e s s u r ea tv a r i o u sd i p p i n gd e p t h 试验表明，当入水深度在1 0 m m - 2 0 m z n 范围时，两次深度差为 5 m m - 1 0 m m 时测得表面张力和密度数据较为稳定，且误差较小。 2 3 3 毛细管端口形状和壁厚对试验结果的影响分析 由表面张力及密度的计算公式可以看出，气泡最大压力值的准确测量直接 关系到液体表面张力及密度的检测结果。 毛细管端口壁厚对检测结果的影响是通过影响气泡压力曲线的形状进而影 响到气泡最大压力值造成的。当采用具有一定端口壁厚的毛细管进行试验时， 气泡在沿毛细管端口长大的过程中会出现两个最大压力峰值，如图2 8 所示。 b ) 壁厚为1 0 m m 时气泡压力曲线 图2 8 毛细管壁厚对气泡压力曲线的影响 f i g 2 8t h e i n f l u e n c eo fw a i lt h i c k n e s so nb u b b l ep r e s s u r eo u r v e 哈尔滨理下大学t 学硕 学位论文 如图2 9 所示，对气泡在厚壁毛细管端口的形成过程分析如下： 图2 9 气泡在较大壁厚毛细管端1 ：3 形成过程 f i g 2 9s h a p eo fb u b b l e sf o r m i n go i lt h ep o r to fc a p i l l a r y 在密度为p 的非润湿性液体中垂直插入毛细管，深度为h ，气泡从l 处开 始产生并逐渐长大，导致气泡曲率半径逐渐增大。在位置2 处气泡的曲率半径 为r e = 其中0 为毛细管端口气泡与管壁形成的接触角。此时气泡内压力 s 1 n 为： ：p 助+ 丝s i n 秒( 2 - 4 ) ，细 随着气泡内压力不断增大，气泡将保持平衡接触角0 不变沿管端横截面移 动。最终，气泡由位置2 移动位置3 处，此时： ：础+ 堡s i n 0 ( 2 - 5 ) ，o 显然忍 罡，气泡到达位置4 时呈半球形，此时气泡内总压力为： p 4 - - p g h + 丝( 2 - 6 ) 哈尔滨理工人学工学硕i j 学位论文 此后，气泡逐渐长大到位置5 处，气泡曲率继续半径增大，附加压力和总 压力相应变小【2 9 l 。 从该过程可以看出，一个气泡从产生到完全逸出的过程中，气泡压力有会 两个峰值，如图2 8 ( b ) 的a 、b ，一个对应位置4 处的气泡压力，另一个对应位 置2 处的气泡压力。由公式( 2 4 ) 和( 2 6 ) 可以得出：当r , r o 埘s i n 0 时，只e ； 当t i n t o 甜 s i n 0 时，只 姜 醚 删 暑了 簿 位移m m 图3 1 2 位移传感器输出特性曲线 f i g 3 1 2t h ee q u i v a l e n tc i r c u i td i a g r a mo f d i s p l a c e m e n ts e n s o r 哈尔滨理t 人学r t 学硕t ：学位论文 3 2 计算机测控系统设计 3 2 1 计算机测控系统硬件构成 对于液态合金表面张力及密度同步检测来说，坩埚的升降、高温探头及自 动紧缩结构的运行、气源的切换、压缩机的启动停止、温度的检测、气泡内压 力曲线的生成以及检测结果的界面显示均是在a d a m 4 0 1 8 模块及其扩展电路 下完成，因此，a d a m 4 0 1 8 是整个检测过程的核心部分 4 2 ，4 3 1 。如图3 1 3 。 其中：模拟量输入通道负责对传感器输出的微弱电信号放大滤波处理； a d a m 4 0 1 8 负责采集分析模拟电路数据，气泵和电机的起停、换向阀的换向 等动作。最后检测结果通过a d a m 4 0 1 8 模块在计算机界面输出显示并通过控 制打印机进行打印输出。 ， 红外温度传感器 ，入嫱舟，目；马晕 r ) i 瑶锰7 亚不裔 一 压力变送器 l - 模 拟 k 打印机 里丑 ) 热电偶传感器 输 计 入 h 、 o _ 八 算 环境温度传感器i - 通 寸 一 道 苫 机 乏 l 程序存储器 位移传感器 l - ： 爿数据存储器 多路开关量输 入输出通道 + l ， 上ll 可逆电机电磁换向阀空气压缩机探头状态信号 3 。l3 测控系统硬件整体构成 f i g 3 13b l o c kd i a g r a mo f t h et e s t i n ga n dc o n t r o ls y s t e m 哈尔滨理t 大学工学硕 ：学位论文 3 2 2 同步检测程序流程 通过对计算机测控系统不同测试功能键的选择操作，检测装置可以完成高 温熔体表面张力及密度的同步检测。 检测装置在计算机测控系统具体控制下的流程图如3 1 4 。 3 1 4 同步检测流程 f i g 3 - 1 4s y n c h r o n o u sd e t e c t i n gp r o c e s s 哈尔滨理t 大学t 学硕七学位论文 为实现这一工作流程，其具体工作过程如下： 1 系统初始状态下在计算机界面选择被测液态合金类型，系统将根据选 择自动匹配检测气源。将耐热探头装入探头锁紧机构后，点击计算机检测软件 的检测键，探头自动锁紧并下降。此时系统自动开启气源，选择设定的气流量 通过探头向毛细管吹出，同步测得管径值由计算机记录。探头停止下降。 2 计算机自动控制电机通过旋转摆臂将坩埚托盘旋出，取样待测液态合 金放入坩埚，旋转摆臂将坩埚送入升降台，电机运行使得坩埚上升直至送入保 温炉内。探头缓慢下降，气流经过电磁换向阀和浮子流量计向多功能探头的毛 细管吹气，同时计算机实时监控并记录通过传感器托盘内的压力变送器测得的 压力变化以及温度传感器测得的实时温度值，当探头接触液面时，单片机测 控系统检测到压力突然增大，自动记录此位置为零点位置。 3 继续下降探头到液体内部适当深度时，升降导杆运行停止，此时气泡 稳定生成，计算机记录该深度下气泡压力曲线以及位移传感器测得下降高度 值，吹气2 0 s 后，电机运行继续使得探头下降到另一适当深度吹气2 0 s 并由计 算机记录相应气泡压力曲线以及下降高度值。 4 检测结束后，探头恢复到初始位置，气