本发明属于一种测量装置，具体涉及一种用最大气泡压力法测量高温熔体物性表面张力装置。
背景技术：
高温熔体的表面张力是高温熔体的一种非常重要的参数，是影响多相体系传质和反应的关键因素之一。而对于冶金炉渣，特别是高钛渣，通过测量其表面张力，对泡沫化的原因和控制有重要的指导意义。
目前测量高温熔体表面张力的测量方法主要有最大气泡压力法、拉筒法和静滴法等，其中拉筒法装置最简易，但无法满足测量精度上的要求。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。实验的基本步骤是，将以毛细管插入待测液体内部，向管内缓慢通入惰性气体，随着吹入气体压力的增大，气泡逐渐长大，但气泡恰好是半球时，气泡内的压力达到最大值，此时通过测量气泡压力，计算得到液体的表面张力。但是，目前的测量装置中普遍存在无法满足测量精度和无法测量高温熔体的表面张力等缺点。
技术实现要素：
针对现存的上述问题，本发明的目的是为解决上述问题而提供了一种可测量高温熔体表面张力，且测量精度高的测量装置。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种高温熔体最大气泡法测表面张力的装置，包括气体输送及控制系统、加热炉、升降系统、气氛控制系统、温度控制系统和控制显示系统；
气体输送及控制系统：包括第一惰性气体储存瓶、第一减压阀、数字式压 差计、毛细管安装装置和毛细管；
所述毛细管的上端通过毛细管安装装置固定，保证毛细管处于竖直状态；
所述第一惰性气体储存瓶的出气口通过气管与毛细管的上端连通，所述第一减压阀和数字式压差计分别设置在气管上，其中第一减压阀位于第一惰性气体储存瓶出气口侧；
加热炉：包括炉管、炉管围城的炉腔和位于炉腔外且用于给炉腔加热的硅钼加热体；
所述毛细管的底部通过插入炉管进入炉腔；
升降系统：包括升降杆、光栅尺、光栅尺固定架、连接臂和升降杆驱动件；
所述连接臂的右端固定在升降杆的上部，所述毛细管安装装置固定在连接臂的左端；
所述光栅尺用于检测连接臂上下移动的位移，其包括数据采集部和可在数据采集部上来回滑动的滑动部，所述滑动部与连接臂的右端固定连接，所述数据采集部固定在光栅尺固定架的顶端；
所述升降杆驱动件用于驱动升降杆升降；
气氛控制系统：包括第二惰性气体储存瓶、第二减压阀和导气管；
所述导气管的一端与第二惰性气体储存瓶的出气口连通，另一端与加热炉的炉腔连通；
所述第二减压阀设置在导气管上；
温度控制系统：包括热电偶和温控柜；
所述热电偶的检测端设置加热炉的炉腔内，用于测量加热炉的炉腔内待测溶体的温度，热电偶的数据输出端与温控柜数据输入端连接，将所测温度信号输入温控柜，温控柜根据接收到的温度信号控制硅钼加热体的加热温度；
控制显示系统：包括控制器和显示设备；
所述数字式压差计的信号输出端与控制器的信号输入端连接，控制器的位 移控制信号输出端与升降杆驱动件连接，所述光栅尺的信号输出端与控制器的位移信号输入端连接，温控柜的温度信号输出端与控制器的温度信号输入端连接，温控柜的温度控制信号输入端与控制器的温度控制信号输出端连接；
所述控制器根据接收信号计算加热炉炉腔内待测熔体的表面张力；
所述控制器的显示信号输出端与显示设备的显示信号输入端连接。
作为优化，所述气体输送及控制系统还包括流量计；
所述流量计设置在气管上，且位于第一减压阀和数字式压差计之间。
作为优化，所述气体输送及控制系统还包括稳压计；
所述稳压计设置在气管上，且位于流量计和数字式压差计之间。
作为优化，所述气体输送及控制系统还包括针型阀；
所述针型阀设置在气管上，且位于稳压计和数字式压差计之间。
作为优化，所述气体输送及控制系统还包括脱氧干燥瓶；
所述脱氧干燥瓶设置在气管上，且位于针型阀和数字式压差计之间。
作为优化，所述控制器计算待测溶体表面张力的公式为：
σ＝(P-ρgh)r/2 (2)；
其中，σ为待测熔体的表面张力，P为最大压力，r为毛细管的半径，ρ为待测熔体的密度，h为毛细管插入待测熔体的深度。
作为优化，所述流量计采用玻璃管浮子流量计。
作为优化，所述稳压计为玻璃钢储气容器。
作为优化，所述数字式压差计采用型号为SYT2000J，测量范围为0-2000Pa，精度0.1Pa。
作为优化，所述毛细管采用金属钽管，管内直径1.00mm。
相对于现有技术，本发明具有如下优点：
1、采用硅钼加热体，最高工作温度可达长时间工作温度通过安装不同精度的热电偶能满足连续测试试样温度范围升温迅 速3h内炉温达到采用新进的PID控温系统，控温精度
2、采用数字式微压差计测量气泡最大压差，压力测量范围0～2000Pa，压差计精度0.1Pa，采用数字式光栅尺用于毛细管端口位置控制，控制精度±0.001mm；数字式的微压计和光栅尺避免了人为读数误差，重复性好，有效的提高了设备的测量精度。
3、检测高温熔体物性的方法具备操作简单、数据可靠、测量过程可实时监测控制，可以较为广泛的用于高温熔体表面张力的测量和研究。
附图说明
图1为本发明高温熔体最大气泡法测表面张力的装置的结构示意图。
图1中的附图标记：第一惰性气体储存瓶1，第一减压阀2，流量计3，稳压计4，针型阀5，脱氧干燥瓶6，数字式压差计7，毛细管安装装置8，毛细管9，加热炉10，升降杆11，光栅尺12，升降杆驱动件13，第二惰性气体储存瓶14，第二减压阀15，导气管16，热电偶17，温控柜18，控制显示系统19。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
一种高温熔体最大气泡法测表面张力的装置，包括气体输送及控制系统、加热炉、升降系统、气氛控制系统、温度控制系统和控制系统；
气体输送及控制系统：包括第一惰性气体储存瓶1、第一减压阀2、数字式压差计7、毛细管安装装置8和毛细管9；
所述第一惰性气体储存瓶1的出气口通过气管与毛细管9连通，所述第一减压阀2和数字式压差计7分别设置在气管上，其中第一减压阀2位于第一惰性气体储存瓶1出气口侧；所述毛细管9的上端通过毛细管安装装置8固定，保证毛细管9处于竖直状态；
具体实施时，第一惰性气体储存瓶1内装的惰性气体为氩气，氩气纯度大于99.9％。选择氩气的主要是因为氩气容易提纯工艺成熟，价格便宜能满足测量需要。另外氩气作为惰性气体既能保护发热体，也能保证在测量金属熔体时金属不会被氧化。
作为优化，气体输送及控制系统还包括流量计3、稳压计4、针型阀5和脱氧干燥瓶6；所述流量计3设置在气管上，且位于第一减压阀2和数字式压差计7之间；所述稳压计4设置在气管上，且位于流量计3和数字式压差计7之间，所述稳压计4为玻璃钢储气容器；所述针型阀5设置在气管上，且位于稳压计4和数字式压差计7之间；所述脱氧干燥瓶6设置在气管上，且位于针型阀5和数字式压差计7之间。
流量计1-3采用玻璃管浮子流量计，其设置主要是为了方便查看气管中气体流量，针型阀1-5是为了更加方便准确的调节和控制气管中的氩气，提高检测精度，因为在测量时需要保证气体从熔体中是间断冒出且速率在2秒左右1个气泡为宜。
稳压计1-4为玻璃钢储气容器，其设置主要是起一个缓冲作用，进一步稳定气管中的压力，避免因为压力的突然增大对设备产生不利影响；
针型阀1-5的设置主要是为了更加精确的控制气管中气体的流速；
脱氧干燥瓶1-6内装有脱氧和脱水剂用于对气管中的氩气进行脱氧和干燥，提高了装置的适用性和精确性，保证接触到熔体或熔渣的气体的纯度，减小对 熔体特别是金属液体的氧化而带来的误差；
所述数字式压差计1-7采用型号为SYT2000J，测量范围为0-2000Pa，精度0.1Pa。根据一直高温熔体的表面张力可以计算得到最大气泡法测得的压力差小于2000Pa，且数量级在1000Pa，故0-2000Pa的量程能满足绝大多数熔体表面张力的测量，另外精度0.1Pa更能保证结果的精确度；
具体实施时，毛细管1-10采用金属钽管，对于氧化物熔体如高炉渣、电炉渣，其成分不会与金属钽发生反应且熔点高，故金属钽能满足测量要求。毛细管1-10管内直径1.00mm，由所测熔体的基本性质决定制成。
具体实施时，所述气管上具有多个用于安装器件的螺纹孔，第一减压阀2流量计3、稳压计4和针型阀5分别通过螺纹连接的方式设置在气管上；
为了方便连接，脱氧干燥瓶6的进气口与针型阀5采用橡胶管连接，数字式压差计7、脱氧干燥瓶6和毛细管9通过三通管，三通管的第一个管口与脱氧干燥瓶6的出气口连通，三通管的第二个管口与数字式压差计7的检测端连通，三通管道的第三个管口与毛细管9的上端连通。
加热炉10：包括炉管、炉管围城的炉腔和位于炉腔外且用于给炉腔加热的硅钼加热体；所述毛细管9的底部通过插入炉管进入炉腔；
所述具体实施时加热炉可以为硅钼炉，为本领域所通用的高温器件，只要符合测量熔体表面张力所需的参数条件，并无特殊要求。
升降系统：包括升降杆11、光栅尺12、光栅尺固定架、连接臂和升降杆驱动件13；
所述升降杆11和光栅尺固定架竖直设置，且升降杆11和光栅尺固定架的底部分别固定在升降杆驱动件13的外壳上；
所述连接臂的右端固定在升降杆11的上部，所述毛细管安装装置8固定在连接臂的左端；
所述光栅尺12包括数据采集部和可在数据采集部上来回滑动的滑动部，所 述滑动部与连接臂的右端固定连接，所述数据采集部固定在光栅尺固定架的顶端；光栅尺12用于检测升降杆11上下移动的位移，光栅尺12最大量程520mm，精度为0.001mm，用于精确控制毛细管端与熔体液面的距离。
所述升降杆驱动件13用于驱动升降杆11升降。。
升降杆驱动件13驱动升降杆11升降，升降杆11带动与其固定连接的连接臂升降，从而固定在连接臂左端的毛细管9和光栅尺12的滑动部也随着连接臂升降，光栅尺12的数据采集部通过采集滑动部升降的位移，确定升降杆11升降的位移，从而最终确定毛细管9升降的位移。
气氛控制系统：包括第二惰性气体储存瓶14、第二减压阀15和导气管16；
所述导气管16的一端与第二惰性气体储存瓶14的出气口连通，另一端与加热炉的炉腔连通；所述第二减压阀15设置在导气管16上；
具体实施时，第二减压阀15通过螺纹连接的方式设置在导气管16上，通过第二减压阀15的通断控制加热炉10炉内的气氛。
温度控制系统：包括热电偶17和温控柜18；
所述热电偶17的检测端设置加热炉的炉腔内，用于测量加热炉的炉腔内待测溶体的温度，热电偶17的数据输出端与温控柜18数据输入端连接；
热电偶17将所测温度信号输入温控柜18，温控柜18根据接收到的温度信号控制加热炉10中通入硅钼加热体的电流大小，从而实现对加热炉10炉腔内温度的控制，将所测温度信号输入温控柜18，温控柜18根据接收到的温度信号控制硅钼加热体的加热温度；温控柜属于现有技术，其通过热电偶所测温度信号控制加热的加热温度也属于现有技术，不属于本发明的发明点，具体实施时可采用PID控制器。
控制显示系统19：包括控制器和显示设备；
所述数字式压差计7的信号输出端与控制器的信号输入端连接，控制器的位移控制信号输出端与升降杆驱动件13连接，所述光栅尺12的信号输出端与 控制器的位移信号输入端连接，温控柜18的温度信号输出端与控制器的温度信号输入端连接，温控柜18的温度控制信号输入端与控制器的温度控制信号输出端连接；
控制器通过控制升降杆驱动件13实现对升降杆11升降位移的精确控制，从而实现对毛细管9升降位移的精确控制。
所述控制器根据接收信号计算加热炉10炉腔内待测熔体的表面张力；
所述控制器的显示信号输出端与显示设备的显示信号输入端连接，显示设备用于显示温控柜18传输的炉腔内溶体的温度、升降杆11移动的位移、数字式压差计7测得的压差以及控制器计算的溶体表面张力。
所述控制器计算待测溶体表面张力的公式为：
最大气泡法原理公式为式(1)；
进一步推导即可得到计算溶体表面张力的公式(2)：
σ＝(P-ρgh)r/2 (2)；
其中，σ为待测熔体的表面张力，P为最大压力，r为毛细管的半径，ρ为待测熔体的密度，h为毛细管9插入待测熔体的深度。
应用上述高温熔体最大气泡法测表面张力的装置测量熔体表面张力的具体步骤如下：
以下所举的高炉渣为熔体熔渣，但是完全可以用于其他熔体熔渣：
S1：加热炉采用硅钼加热炉，硅钼炉的炉腔内放入坩埚，硅钼加热体采用硅钼棒，采用硅钼棒对坩埚内的熔渣进行加热，直至炉渣熔化，保温2个小时使炉渣成分均匀；
S2：启动升降系统，升降杆驱动件13驱动升降杆11移动，使毛细管9的下端正好位于坩埚内熔渣表面上方，且与熔渣表面不接触，此时将数字式压差计7的压差计调零；升降杆驱动件13驱动升降杆11移动，使毛细管9的下端 下降至恰好与炉渣表面接触，此时控制器控制升降杆驱动件13驱动升降杆11移动，使升降杆11的初始位置归零；
S3：打开第一减压阀2，通过第一减压阀2和针型阀控制氩气气体流量，此时数字式压差计7出现数值，当炉渣内部能够稳定、缓慢的产生气泡时，数字式压差计7的数值由小到大变化，升降杆驱动件13驱动升降杆11移动，从而带动毛细管9移动，改变毛细管9的插入炉渣的深度，得到各个深度下的最大压差，毛细管9插入炉渣的深度分别记为h1，h2，h3，毛细管9插入炉渣的各个深度下对应的最大压差分别记为P1，P2，P3；
S4：根据公式，用P1，P2和h1，h2可以计算得到ρg的值，即：P2-P1＝ρg(h2-h1)，再根据P3和h3以及计算得到的ρg代入公式(2)便可得到熔渣的表面张力。
S5：测试完成后，升起毛细管9，关闭升温系统，待加热炉体冷却到室温后清洗炉体清洁设备。
该装置实现了快速测量的目的，而且精度和自动化程度高，可以很好的满足实验室和工业上的测量要求。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。