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[摘要]利用高精度半导体应变计测量了两种不同性质原油的表面张力系数，分析了液膜拉脱过程的受力情况，比较了样品的拉脱液膜状态。所用实验仪器简单，易操作，测量误差小，实验结果符合其他仪器所测量的结果。本实验可以直接观察原油的流动性，引导学生思考表面张力与采油的关系，有助于提高学生的分析能力和创新能力。
[关键词]半导体应变计 原油 表面张力
一、引言
原油的表面张力是表征原油性质的一个重要参数，原油表面层内的分子所处的环境与其内部的分子不同，由于与空气接触，表面层分子的平均间距大于内部分子的平均间距，使得处于表面层的分子之间的引力大于斥力，造成原油表面有收缩的趋势，这种由于表面收缩而产生于原油液面切线方向的力即为原油的表面张力。一般采用表面张力系数来描述原油的这一性质，即设想原油液体表面有一分界线，分界线两边的分子相互吸引，计算单位长度分界线上分子间的相互吸引力大小。原油的表面张力系数与原油的粘度、酸值、组成等因素有关，一般在研究提高石油采收率的有效性时用表面张力这一物理性质表征[1]。
本文将半导体应变计（硅压阻式力敏传感器）应用于原油表面张力系数的测量中，计算了两种不同性质原油的表面张力系数，并通过实验现象分析了液膜拉脱过程的受力情况，比较了样品的拉脱液膜状态。本实验操作简单，测量误差小，仪器简便，实验结果符合用其他仪器所测量的结果，并且可以直接观察原油的流动性，能够帮助学生进一步理解原油性质，同时可以从物质结构的角度分析原油的表面张力，引导学生思考表面张力与采油的关系，对石油专业领域的研究有一定意义。
二、材料与方法
（一）实验仪器
本文使用了FD-NST-Ⅰ型液体表面张力系数测定仪，仪器示意图如图1所示，本仪器的优点为：采用了硅压阻力敏传感器（又称半导体应变计），其灵敏度高，线性和稳定性好，以数字式电压表输出显示，误差小，重复性好。
（二）实验原理
半导体应变计由弹性梁和贴在梁上的传感器芯片组成，其中芯片由四个硅扩散电阻集成一个非平衡电桥。当外界压力作用于金属梁时，在压力作用下，电桥失去平衡，此时将有电压信号输出，输出电压大小与所加外力成正比[2]。即
U=KF （1）
式中，F为外力的大小，K为半导体应变计的灵敏度，U为传感器输出电压的大小。
金属圆环吊片沿竖直方向离开油面时，由于液面收缩而产生的沿切线方向的表面张力f，角θ为接触角，金属环脱离液体前各力的平衡条件为：
F=mg+fcosθ （2）
随着金属环的提起，θ→0，如图2所示，则有：
F=mg+f （3）
式中F是向上的拉力，mg为环形金属环的重量（粘附在金属环上样品重量远小于金属环的重量，可忽略），f为表面张力。f的值与接触面的周界长成正比，即
f=α·π（D1+D2） （4）
式中，D1、D2分别为圆环的外径和内径，α为液体的表面张力系数，由公式（1）～（4）可计算出液体表面张力系数
α=f/π（D1+D2） （5）
（三）实验样品
实验样品采用了1#原油（密度为935.7kg·m-3（20℃），酸值为1.7064mgKOH·g-1，来源于巴西阿尔巴克拉地区）和2#原油（密度为920kg·m-3（20℃），酸值为2.1327mgKOH·g-1，来源于苏丹达尔地区），并均经过脱水处理。
三、结果与讨论
（一）半导体应变计的定标
对半导体应变计定标的数据如表1所示，定标曲线如图3所示，用最小二乘法拟合，得半导体应变计灵敏度为k=3.188V/N（北京地区重力加速度g=9.800m/S2），拟合结果的相关系数为0.9999，可见半导体应变计的输出线性度较高。
（二）原油表面张力系数的测量
在室温（20℃）条件下，分别对样品进行了数据采集，记录了拉脱模变化时数字电压表的最大值读数U1和拉断瞬间数字电压表的读数U2值，吊环的内外径分别为D1=3.496cm、D2=3.310cm，根据公式（5）可计算出两种原油的表面张力系数，如表2所示。
另外，用BZY-1型自动表面张力仪对样品进行了测量，所得结果（室温20℃）分别为： 1#原油=24.3mN/m，2#原油=33.6mN/m，与半导体应变计所测量结果进行了比较，发现两种仪器所测量结果比较吻合，相对误差分别为2.06%（1#原油）和2.68%（2#原油），误差主要来自于吊环的水平调节程度以及拉断瞬间数字电压表读数U2值。
在两种样品中，2#原油的表面张力系数大值于1#原油的值，这与样品的性质有关，表明样品的密度越大，所含官能团及杂质越多，则 值也越小。一般来说，物质的极性越大，表面张力就越大，本文所用样品的酸值不同，随着各馏分酸值的增加，极性物质增多，则使2#原油的表面张力系数大于1#原油的表面张力系数[3]。
在测量过程中还观察了吊环所拉脱的液膜状态，可明显看出液膜的收缩性，在液膜即将破裂的瞬间液膜最长。
三、结论
本文使用高精度的半导体应变计测量了两种原油的表面张力系数，测量值与其他方法所测量值非常接近，且测量过程稳定。 通过对不同液体液膜拉脱过程的分析，可使学生能更好地理解表面张力的意义，对原油性质的分析具有重要的指导与帮助，以此依据可以进一步探讨在自然界条件下微生物降解原油的作用，为提高原油采收率的分析提供理论依据。本实验仪器简单，易操作，测量误差小，现象显著。能够在教学现场实现原油表面张力的测量，对石油专业领域的研究有一定意义，不仅丰富了实验内容，而且加强了学科联系，有助于加深对原油表面张力系数概念的理解和认识，并且有助于提高学生的分析能力和创新能力。
基金资助：北京市自然科学基金（4122064）； 中国石油大学（北京）基础科学研究基金（01JB0169）
[参考文献]
[1]孔淑琼，佘跃惠，易绍金，王正良.七个泉油田原油的生物降解及配伍条件选择[J]. 石油天然气学报（ 江汉石油学院学报） 2011， 33（1）：48-52
[2]孙为，唐军杰，王爱军，张国林.大学物理实验[M]，中国石油大学出版社，2007：68-74
[3]师丽娟，沈本贤，汪恭群，尹晓丽. 北疆高酸原油直馏馏分脱酸前后的油-水界面性质比较[J]. 华东理工大学学报， 2009，35（2）：192-196
（作者单位：中国石油大学（北京）理学院 北京）
[关键词]半导体应变计 原油 表面张力
一、引言
原油的表面张力是表征原油性质的一个重要参数，原油表面层内的分子所处的环境与其内部的分子不同，由于与空气接触，表面层分子的平均间距大于内部分子的平均间距，使得处于表面层的分子之间的引力大于斥力，造成原油表面有收缩的趋势，这种由于表面收缩而产生于原油液面切线方向的力即为原油的表面张力。一般采用表面张力系数来描述原油的这一性质，即设想原油液体表面有一分界线，分界线两边的分子相互吸引，计算单位长度分界线上分子间的相互吸引力大小。原油的表面张力系数与原油的粘度、酸值、组成等因素有关，一般在研究提高石油采收率的有效性时用表面张力这一物理性质表征[1]。
本文将半导体应变计（硅压阻式力敏传感器）应用于原油表面张力系数的测量中，计算了两种不同性质原油的表面张力系数，并通过实验现象分析了液膜拉脱过程的受力情况，比较了样品的拉脱液膜状态。本实验操作简单，测量误差小，仪器简便，实验结果符合用其他仪器所测量的结果，并且可以直接观察原油的流动性，能够帮助学生进一步理解原油性质，同时可以从物质结构的角度分析原油的表面张力，引导学生思考表面张力与采油的关系，对石油专业领域的研究有一定意义。
二、材料与方法
（一）实验仪器
本文使用了FD-NST-Ⅰ型液体表面张力系数测定仪，仪器示意图如图1所示，本仪器的优点为：采用了硅压阻力敏传感器（又称半导体应变计），其灵敏度高，线性和稳定性好，以数字式电压表输出显示，误差小，重复性好。
（二）实验原理
半导体应变计由弹性梁和贴在梁上的传感器芯片组成，其中芯片由四个硅扩散电阻集成一个非平衡电桥。当外界压力作用于金属梁时，在压力作用下，电桥失去平衡，此时将有电压信号输出，输出电压大小与所加外力成正比[2]。即
U=KF （1）
式中，F为外力的大小，K为半导体应变计的灵敏度，U为传感器输出电压的大小。
金属圆环吊片沿竖直方向离开油面时，由于液面收缩而产生的沿切线方向的表面张力f，角θ为接触角，金属环脱离液体前各力的平衡条件为：
F=mg+fcosθ （2）
随着金属环的提起，θ→0，如图2所示，则有：
F=mg+f （3）
式中F是向上的拉力，mg为环形金属环的重量（粘附在金属环上样品重量远小于金属环的重量，可忽略），f为表面张力。f的值与接触面的周界长成正比，即
f=α·π（D1+D2） （4）
式中，D1、D2分别为圆环的外径和内径，α为液体的表面张力系数，由公式（1）～（4）可计算出液体表面张力系数
α=f/π（D1+D2） （5）
（三）实验样品
实验样品采用了1#原油（密度为935.7kg·m-3（20℃），酸值为1.7064mgKOH·g-1，来源于巴西阿尔巴克拉地区）和2#原油（密度为920kg·m-3（20℃），酸值为2.1327mgKOH·g-1，来源于苏丹达尔地区），并均经过脱水处理。
三、结果与讨论
（一）半导体应变计的定标
对半导体应变计定标的数据如表1所示，定标曲线如图3所示，用最小二乘法拟合，得半导体应变计灵敏度为k=3.188V/N（北京地区重力加速度g=9.800m/S2），拟合结果的相关系数为0.9999，可见半导体应变计的输出线性度较高。
（二）原油表面张力系数的测量
在室温（20℃）条件下，分别对样品进行了数据采集，记录了拉脱模变化时数字电压表的最大值读数U1和拉断瞬间数字电压表的读数U2值，吊环的内外径分别为D1=3.496cm、D2=3.310cm，根据公式（5）可计算出两种原油的表面张力系数，如表2所示。
另外，用BZY-1型自动表面张力仪对样品进行了测量，所得结果（室温20℃）分别为： 1#原油=24.3mN/m，2#原油=33.6mN/m，与半导体应变计所测量结果进行了比较，发现两种仪器所测量结果比较吻合，相对误差分别为2.06%（1#原油）和2.68%（2#原油），误差主要来自于吊环的水平调节程度以及拉断瞬间数字电压表读数U2值。
在两种样品中，2#原油的表面张力系数大值于1#原油的值，这与样品的性质有关，表明样品的密度越大，所含官能团及杂质越多，则 值也越小。一般来说，物质的极性越大，表面张力就越大，本文所用样品的酸值不同，随着各馏分酸值的增加，极性物质增多，则使2#原油的表面张力系数大于1#原油的表面张力系数[3]。
在测量过程中还观察了吊环所拉脱的液膜状态，可明显看出液膜的收缩性，在液膜即将破裂的瞬间液膜最长。
三、结论
本文使用高精度的半导体应变计测量了两种原油的表面张力系数，测量值与其他方法所测量值非常接近，且测量过程稳定。 通过对不同液体液膜拉脱过程的分析，可使学生能更好地理解表面张力的意义，对原油性质的分析具有重要的指导与帮助，以此依据可以进一步探讨在自然界条件下微生物降解原油的作用，为提高原油采收率的分析提供理论依据。本实验仪器简单，易操作，测量误差小，现象显著。能够在教学现场实现原油表面张力的测量，对石油专业领域的研究有一定意义，不仅丰富了实验内容，而且加强了学科联系，有助于加深对原油表面张力系数概念的理解和认识，并且有助于提高学生的分析能力和创新能力。
基金资助：北京市自然科学基金（4122064）； 中国石油大学（北京）基础科学研究基金（01JB0169）
[参考文献]
[1]孔淑琼，佘跃惠，易绍金，王正良.七个泉油田原油的生物降解及配伍条件选择[J]. 石油天然气学报（ 江汉石油学院学报） 2011， 33（1）：48-52
[2]孙为，唐军杰，王爱军，张国林.大学物理实验[M]，中国石油大学出版社，2007：68-74
[3]师丽娟，沈本贤，汪恭群，尹晓丽. 北疆高酸原油直馏馏分脱酸前后的油-水界面性质比较[J]. 华东理工大学学报， 2009，35（2）：192-196
（作者单位：中国石油大学（北京）理学院 北京）