CN1088189C - 测量表面张力的装置 - Google Patents
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Abstract
一种借助于供气的毛细管测量液体表面张力的装置，毛细管具有连接器和喷嘴，该装置可用于测量设备。为了使装置易于制造和控制，并能可靠地用于各种液体，毛细管至少部分地装配在容纳液体的坩埚中，并安装在坩埚的壁上，从而将连接器装配在坩埚内部的外侧。连接器与测量设备的气体导管相连，并与压力传感器和/或流量计相连。
Description
本发明涉及借助具有连接器和喷嘴的供气毛细管测量液体表面张力的装置，其中毛细管至少部分地装配在容纳液体的坩埚中，并且其中连接器装配在坩埚内部的外侧。本发明也涉及带有这种装置的测量设备。
这种装置可以从DE 22 31 598/A1中了解到，其中公开了用于确定液体和气体之间的交界面的表面张力的装置和过程。该装置利用毛细管向连接器和喷嘴提供气体。毛细管从上到下延伸进容纳液体的容器。为了在熔融金属中进行测量，毛细管暴露于由被测液体引起的热中。毛细管装配在坩埚的外侧。这种结构相当昂贵。
这种类型的另一种装置可以从DE 29 15 956/A1中了解到，其中描述了一种测量导电液体的表面张力的装置。该装置具有带连接套管和喷嘴的毛细管。装有喷嘴的毛细管的一端被弯成U形。毛细管从上浸入液体，于是喷嘴指向上方。当装置工作时，气泡排出喷嘴，并在测量管内垂直上升。被施加了电压并与一个计时设备相连的两个电极装配在测量管上。当气泡经过电极之间时，引起电极间流过的电流阻断；由气泡引起的阻断频率在电路中被测量。以恒定的压力向毛细管输送气流，因此通过利用气泡的频率，可以确定液体的表面张力。
这种类型的装置相对来说比较复杂，因为从上面浸入液体的毛细管必须象具有电极的测量管那样另外装配。与此相关，这些部件必须同时受到保护，以避免例如来自熔融金属越来越大的热量的损害。为了安全运行，在液体中产生电流还需要比较高的开销。如果气泡不能很好地将电极相互绝缘，可能漏电的危险也被视为一个问题，因为测量的结果会由于这种漏电而变得不准确。
另外，从DE 42 28 942/C1中了解到测量液体中表面张力的一种装置，其中毛细管部分地装配在容纳液体的坩埚中，并且其中毛细管贯穿坩埚的壁。导入液体的气体通过气体分配单元流经毛细管。气体或多或少不太规则地在气体分配单元的整个表面上流出，并在恒定变化的条件下到达液体的表面，那里有一个采样设备截获一部分气泡(通常是最大的气泡)，并将这些气泡作为测量脉冲送到分析仪。由于不同的出口，气泡到液体的不同的通路，以及由于分配单元发出的不同大小的气泡，还由于装配在液体上的采样设备接收的非准确性，所以用所述装置准确地测量表面张力是不可能的，因为一般来说这种装置不能全部和正确地截获在不同位置并以不同大小从液体中排出的气泡。
在EP 0 149 500中描述了测量表面张力的另一种装置。另外，在G.A.Irons和R.I.C.Guthrie的“生铁中喷嘴处的气泡形成”(Metallurgical Transactions B，卷9B，第101-110页，1978年3月)中也描述了确定此处是液态生铁中的气泡的频率。这里公开的是借助话筒探测气泡的装置。
利用这种类型的装置，通过表面张力可以确定熔融金属的性质。了解熔化的铸铁的表面张力使得能够在其它事项中得出关于包含在铸铁中的碳的石墨结构的结论，因为不同相之间的表面张力和界面能量影响合金的微结构。这种作用在E.Selcuk和D.H.Kirkwood的文章“包含镁和铈的液态铸铁的表面能量”(Journal of the Iron andSteel Institute，第134-140页，1973年2月)中作了描述。铈和镁与铸铁的混合物加速了球墨的形成，即增加铈或镁的含量，石墨晶体的形式从开始时的石墨的层纹型变为球型(球墨)，这正是铸造实践中所追寻的，因为这种类型的石墨结构产生铸铁中的最佳强度特性。
基于上述技术的目前状况，本发明的一个目的是提供一种易于制造和使用的装置，该装置能够可靠地用于各种液体。对于上述类型的装置，该目的是通过以下方式实现的：毛细管至少部分地装配在容纳和保持液体的坩埚中，并且安装在坩埚的壁上，从而连接器装配在坩埚内部的外侧。这种类型的装置比较简单，易于制造，并确保在充满液体的坩埚中的毛细管能够牢固地安装，不存在诸如熔融金属之类的可能非常热的液体引起的热损坏安装或测量设备的危险，因为没有精密部件需要安装在液体上。这种装置适用于测量各种液体的表面张力，甚至测量液态铸铁的表面张力以便在其它事项中确定石墨结构；用于确定生铁中的含硫量；或为了鉴定铝—硅合金的改进处理。
为了确保牢固的安装，毛细管贯穿坩埚的壁，特别是贯穿坩埚的底部是很有利的。当毛细管装配在底部时，它可以垂直排列，因此气泡可以不受限制地根据其浮力排出毛细管。此外，如果将连接器安装在坩埚的底部上或底部中，并且安装坩埚时使连接器成形，这也是很有利的，因为这样坩埚可以与连接器一道直接放在送气导管的气体连接套管上，而无需额外的紧固部件。
为了均匀产生气泡，最好使毛细管的内径在喷嘴端增大，特别是以圆的方式增大，或者喷嘴扩成豁口形。与此同时，最好在喷嘴的外端毛细管的内径和外径之差不大于1mm，特别是不大于0.5mm，和/或导热率(W/K·m)与喷嘴外端的毛细管的壁厚之乘积在1400℃时小于5.5×10-3W/K(瓦特/开尔文)。这种类型的结构确保有规律地形成实际上总是呈现均匀直径的气泡。也能借助于例如毛细管中的侧面孔或豁口(例如通过锯或铣削制成)将喷嘴放在毛细管的侧面。
特别是在腐蚀性或非常热的媒质中进行测量，毛细管最好由气密材料制成，如铝氧化物、石英或氧化锆，因为这些材料具有高温稳定性，并且对许多媒质如铸铁熔化物都有化学抗蚀性。为了测量的精确性和可重复性，将连接器以气密的方式与坩埚连在一起是有利的。
对测量设备来说，本发明的目的是通过以下事实实现的：连接器以气密的方式与气体导管的气体连接套管相连，并与压力传感器和/或流量计相连，因为气泡的出现频率可以利用这些设备进行测量。
当结合进一步表示本发明的其它特征和优点的附图进行阅读时，将会更好地理解上述总结以及下面对本发明的最佳实施例所作的详细描述。为了说明本发明，附图中画出了目前认为是最佳的实施例。然而应懂得，本发明不限于所示的精确配置和结构。附图中：
图1是根据本发明的装置的示意性剖视图，其中毛细管装配在坩埚的底部；
图2是装置的示意性剖面图，其中毛细管装配在坩埚的侧壁；
图3a-h是毛细管喷嘴的几种形式的纵向剖面图；
图4是包括本发明装置的测量设备的示意图，一部分是剖视图；
图5是确定气泡频率的压力测量曲线；
图6是类似于图1装置的示意性剖面图，但是其中喷嘴制成豁口形，开口在毛细管的侧面；以及
图7是类似于图2装置的示意性剖面图，但是其中喷嘴制成豁口形，开口在毛细管的侧面。
图1所示的坩埚1用于测量铸铁熔化物的表面张力。然而，它也适用于测量例如铝—硅合金或生铁。坩埚是由耐热材料制成的，此处是由树脂粘合的砂或陶瓷纤维制成的。为了确保坩埚所需的稳定性，坩埚1的底部比侧壁做得坚固(厚)。毛细管2贯穿坩埚的底部，并且借助于耐熔粘合剂3固定在那里，以便防止熔化物从坩埚的底部流出。
毛细管2固定到连接器4上，在连接器4上装配有气体连接套管5。连接器4和气体连接套管5用来向毛细管2输送气体。重复进行测量所需的气密性是借助两个O形环6来保证的，这两个O形环装配在连接器4和气体连接套管5之间。借助于气体连接套管5，坩埚1与送气导管和测量设备相连。连接器4和气体连接套管5由金属制成，而毛细管2由耐熔材料如铝氧化物、氧化锆或石英制成。毛细管的内径大约为0.7-1.5mm，并且伸进容纳熔化物的坩埚1的内部中空区域，其高度大约为5-25mm。
坩埚1的中空区域容纳大约100ml的熔化物；较小的容积将导致熔化物冷却，在熔化物注入坩埚之后，从坩埚壁开始熔化物冷却，其冷却速度太快，以致不能精确地测量熔化物的表面张力，因为容积太小相应地热容量也小，因此冷却速度相应地很快。为了最大限度地减小这一冷却效果对测量造成的影响，毛细管2基本装配在旋转对称坩埚1的轴线上，并且喷嘴7大约位于坩埚1的中空区域的中间。
以类似方式设计图2所示的坩埚1。与上述结构的基本差别在于毛细管2装配在坩埚1的侧壁。
图3表示毛细管2的各种形式的喷嘴，它们可用于开始所描述的装置中。这些形式的喷嘴的共同之处在于它们在装置中的尺寸是这样的：喷嘴外端的毛细管的外径和内径之差最大为0.5mm，因此确保大小均匀地形成气泡。出于这种考虑，设想将毛细管的内径在毛细管的整个长度上保持恒定，并以适当方式定出喷嘴外端的外径，如图3a、g和h所示。然而，也设想以适当方式扩充喷嘴处的毛细管的内径。出于这种考虑，可以以圆柱形增大直径的形式进行扩充，如图3b和d所示，或者在喷嘴外端的方向进行圆锥扩充，如图3c和f所示。两种喷嘴形式的结合示于图3e；此处毛细管的内径以圆柱方式扩充，另外仅在喷嘴的外端进行圆锥扩充连接。
确定表面张力的测量设备示意性地示于图4。包含铸铁熔化物8的坩埚1与气体导管9相连，测量气体通过气体导管9送入铸铁熔化物8。所需气流通过气体导管9中的气体流量调整设备10进行控制。相对于熔化物是惰性的气体如氩或氮用作测量气体，该气体以每分钟大约2-15ml的速率被吹入铸铁熔化物8。在喷嘴7形成铸铁熔化物中的气泡11。与此相关，随着从喷嘴7中释放气泡11，气体导管9中的压力突然下降，并且在新的气泡11形成期间该压力上升，直到该气泡11释放。
这一压力顺序作为时间的函数示于图5中，它是利用压力传感器12检测并记录的。由气泡11的形成引起的这些压力波动的频率可用来计算铸铁熔化物8的表面张力，或计算与表面张力有直接关系的物理量，因此如开始处所述，可以确定铸铁熔化物8中的石墨结构。考虑到这一点，由于坩埚1中铸铁固化的结果，可以记录压力—时间函数的测量时间就受到了限制。在其它事项中，可用来测量的时间由注入坩埚1的铸铁熔化物8的倒入温度与铸铁液态温度之差决定。为了监视温度，例如可将热电偶那样的温度传感器放在坩埚1的中空区域中。
图6和7表示类似于图1和2的另外的最佳实施例，其中毛细管2分别贯穿坩埚的底部和侧壁。然而与图1和2不同的是，毛细管的开口或喷嘴例如以图3所示的一种形式形成在毛细管的端部，图6和7中的喷嘴7是圆周豁口或豁口形，开口在毛细管的侧壁，最好靠近坩埚内的端部，并远离坩埚的底部或侧壁。可以通过以径向或接近径向、最好是垂直于毛细管的纵轴方向锯或铣削毛细管来适当地形成这一豁口。在侧壁安装的情况下，豁口最好面向上，以便确保自由释放气泡和均匀形成气泡。
本领域的一般技术人员应懂得，在不脱离本发明概念的前提下可对上述实施例做各种改变。因此应懂得本发明不限于公开的具体实施例，本发明旨在包括由所附权利要求书限定的本发明的精神和范围内的所有改进之处。
Claims (11)
1.一种测量液体表面张力的装置，包括提供气体的毛细管，毛细管(2)具有连接器和喷嘴，并且毛细管至少部分地装配在容纳液体的坩埚(1)中，毛细管安装在坩埚(1)的壁上，并贯穿坩埚(1)的壁，以及包括装配在坩埚(1)内部的外侧的连接器(4)，连接器(4)安装在坩埚(1)的底部上或底部中，并且安装坩埚时使连接器成形。
2.根据权利要求1所述的测量液体表面张力的装置，其中毛细管(2)贯穿坩埚(1)的底部。
3.根据权利要求1所述的测量液体表面张力的装置，其中毛细管(2)在喷嘴(7)处的内径增大。
4.根据权利要求1所述的测量液体表面张力的装置，其中喷嘴(7)做成豁口形。
5.根据权利要求1所述的测量液体表面张力的装置，其中喷嘴(7)外端的毛细管(2)的内径和外径之差不大于1mm。
6.根据权利要求5所述的测量液体表面张力的装置，其中差值不大于0.5mm。
7.根据权利要求1所述的测量液体表面张力的装置，其中导热率与喷嘴外端的毛细管的壁厚之乘积在1400℃时小于5.5×10-3W/K。
8.根据权利要求3所述的测量液体表面张力的装置，其中喷嘴(7)装配在毛细管(2)的侧面。
9.根据权利要求1所述的测量液体表面张力的装置，其中毛细管(2)包括气密材料。
10.根据权利要求9所述的测量液体表面张力的装置，其中气密材料是从包括铝氧化物、石英和氧化锆的组中选择的。
11.包括气体导管和权利要求1的装置的一种测量设备，其中连接器(4)以气密方式与气体导管(9)的气体连接套管(5)相连，并与压力传感器(12)和流量计中至少之一种相连。
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