一种液体粘滞系数的测量装置

1.本实用新型涉及液体物理参数测量技术领域，尤其涉及一种液体粘滞系数的测量装置。


背景技术：

2.液体的粘滞系数又称为粘度，是描述液体内摩擦力性质的一个重要物理量，其受材料本身及其温度所影响，并表征了液体内部存在相对运动时，液体反抗形变的能力。准确测量粘滞系数在技术方面有着广泛的实用价值，如机械的润滑，石油在管道中的传输，油脂涂料以及医疗和药物等方面。
3.测量粘滞系数的方法有落球法、毛细管法、转筒法、欠阻尼振动法、奥氏粘度计法等。其中，落球法作为最常用的液体粘滞系数测量方法，其测量器材主要包括待测液体、用于储存待测液体的量筒、设置于量筒上开口处的小球导管、从导管处落入量筒内的小球、上下间隔设置并朝向量筒直径照射的两个半导体激光器(通常为光电门)、用于测量时间的电子秒表以及用于测量待测液体的密度、温度的液体密度计和温度计等；将器材安装好之后，进行测量时，开启半导体激光器，将小球从小球导管处下落，当小球落下，阻挡上面的激光束时，光线受阻，此时用秒表开始计时，到小球下落到阻挡下面的激光束时，计时停止，读出下落时间，重复测量多次后，得出小球匀速运动的速度，并根据小球质量、直径、密度和量筒内径、待测液体的密度以及待测液体温度等计算出待测液体的粘滞系数。
4.采用上述落球法进行测量时，在测量之前，需要调节两个光电门的位置，以确保激光光束正好通过量筒的直径所在位置，并与量筒上方的小球导管中心处在同一条竖直线上，以确保小球下落时能经过两束激光，该过程中，肉眼判断本身就不准确，再加上光的折射等问题，使调节十分困难，影响测量精度；同时，小球从何处开始匀速下落难以判定，且小球能否沿量筒中心轴线下落也是难以控制。


技术实现要素：

5.针对现有技术中所存在的不足，本实用新型提供了一种液体粘滞系数的测量装置，其可改善现有技术中采用落球法测量待测液体的粘滞系数时，存在在测量之前肉眼观察无法确定小球下落时是否经过两束激光，在测量时难以判定小球从何处开始匀速下落，导致测量精度不高的问题。
6.根据本实用新型的实施例，一种液体粘滞系数的测量装置，其包括平台；箱体，设置于平台上，用于储存待测液体；圆筒，固定于箱体内，呈管状且两端朝向水平方向开口；小球，设置于圆筒内，且中心位于圆筒的中心轴线上；两根细绳，细绳的一端可拆卸连接小球，且两根细绳分别可拆卸连接于小球直径方向的两端；两组重力不一的重物单元，设置于平台，并位于箱体外，分别连接于细绳的另一端，较重的一组重物单元使得小球沿水平方向作直线运动；以及测试单元，设置于重力更大的重物单元上，以测量小球的运动速度。
7.优选的，所述小球包括内部中空且形成有开口的球壳、可拆卸连接于球壳开口处
的堵盖以及两个拉环，两个所述拉环分别固定于球壳直径方向的两端，所述球壳内储存有液体，储存有液体的小球的重力等于其在箱体内所受浮力，所述细绳可拆卸连接于拉环。
8.优选的，储存于小球内的液体为汞。
9.优选的，所述重物单元包括固定于平台的架体、设置于箱体内的一号滑轮、设置于箱体上端的二号滑轮、固定于架体上的三号滑轮以及固定于细绳另一端的重物，所述细绳依次绕过一号滑轮、二号滑轮以及三号滑轮，且连接于小球的一端与圆筒的中心轴线同直线，两个所述重物的重量不同。
10.优选的，两个所述一号滑轮等高，且所述二号滑轮和三号滑轮等高。
11.优选的，所述测试单元包括设置于架体上的小车、固定于小车上的遮光片以及两个间隔设置于架体的光电门，所述遮光片固定于细绳上并随细绳的移动而朝向光电门移动。
12.优选的，所述架体上设置有小车的起步标识线。
13.优选的，所述平台上设置有水平仪。
14.优选的，所述箱体为恒温箱。
15.优选的，所述圆筒的长度大于小球的位移。
16.综上所述，本实用新型包括以下至少一种有益技术效果：
17.1.通过在用于盛装待测液体的箱体内设置沿水平方向开口的圆筒，将小球设置于圆筒内，并在箱体外设置通过细绳连接于小球水平方向直径两端的重物单元，从而利用两组重物单元重力不一的作用，拉动小球在水平方向上作直线运动，即使得小球沿圆筒中心轴线方向移动，同时，在重力更大的重物单元上设置用于测试小球运动速度的测试单元，即通过设置于箱体外部的测试单元完成对小球运动速度的测量，相对于现有技术中采用落球法测量时由于光的折射、难以在测量之前肉眼观察确定小球下落时是否经过两束激光以及难以判定小球从何处开始匀速下落等缺点，相对减少了测试小球速度时计时而带来的误差，从而提高了测量精度，减少了由于光的折射等问题带来的测量误差问题；
18.2.小球在运动过程中，利用两根细绳控制小球的运动位置，减少其上下浮动；同时，小球包括球壳、堵盖以及两个拉环，即可向球壳内加入液体(如汞)，使得加入液体后的小球重力等于其在待测液体内的浮力，从而利用平衡原理使得放入待测液体内的小球可保持悬浮状态，进一步保证在细绳的拉动作用下，小球能够做水平直线运动，防止因压强变化而对粘滞系数的测量造成影响，以进一步保证测量精度；
19.3.将箱体设置为恒温箱，待测液体储存于恒温箱内，从而可减小温度对待测液体粘滞系数测量的影响，使得待测液体粘滞测量的准确性较高；
20.4.另，现有技术中采用落球法进行测量时，落球法的测量结果会受重力影响，待测液体的粘滞系数较大时，小球匀速运动时的速度较小，利于肉眼观察并计时，即落球法只适用于测量粘滞系数较大的透明或者半透明液体，如蓖麻油、甘油等，而本装置中，通过设置位于箱体外的两组重力不一的重物单元，在细绳的连接下，且在加入液体后的小球重力等于其在待测液体内的浮力的作用下，使得小球在水平方向上做直线运动，即减少了小球受重力作用而对测试结果的影响，从而本装置能够对粘滞系数较小的液体进行测量，测量范围相对落球法的测量范围更大。
附图说明
21.图1是本实用新型实施例的整体结构示意图；
22.图2是本实用新型小球的整体结构示意图；
23.图3是本实用新型测量待测液体粘滞系数的流程图。
24.上述附图中：1、平台；2、箱体；3、圆筒；4、小球；41、球壳；42、堵盖；43、拉环；5、细绳；6、重物单元；61、架体；62、一号滑轮；63、二号滑轮；64、三号滑轮；65、重物；7、测试单元；71、小车；72、遮光片；73、光电门。
具体实施方式
25.下面结合附图1-3对本实用新型作进一步说明。
26.参照图1和图2，本实用新型实施例提出了一种液体粘滞系数的测量装置，包括平台1、箱体2、圆筒3、小球4、两根细绳5、两组重物单元6以及一个测试单元7；平台1作为整个试验的平台，箱体2固定于平台1上，以存储待测液体，例如蓖麻油、甘油等；圆筒3固定于箱体2内，且位于箱体底部，以保证被箱体2内的待测液体淹没，圆筒3呈管状结构，且两端朝向水平方向开口。
27.小球4直径小于圆筒3的内径，并设置于圆筒3内，其中心位于圆筒3的中心轴线上。细绳5的一端可拆卸连接小球4，且两根细绳5分别可拆卸连接于小球4直径方向的两端，细绳5的另一端伸出箱体2。
28.两组重物单元6重力不一，且分别设置于圆筒3开口方向的平台1上，并位于箱体2外，两组重物单元6分别连接于两根细绳5的另一端，以在重力作用下，拉动小球4沿水平方向作直线运动。测试单元7位于箱体2之外，且设置于质量更大的重物单元6上，以完成对小球4运动速度的测量工作。
29.通过设置两组重物单元6，间接拉动小球4在水平方向上作直线运动，同时利用测试单元7完成对小球4运动速度的测量工作，并根据公式计算出粘滞系数即可。相对于现有技术中采用落球法测试时，需要在测量之前肉眼确定小球4下落时是否经过两束激光并沿量筒中心轴线下落，同时判定小球4从何处开始匀速下落，这种测试方式只需将小球4置于圆筒3内，并将待测液体倒入箱体2内即可，避免了落球法测试难以控制小球4下落的难题，相对保证了测量精度。
30.其中，箱体2采用恒温箱，待测液体储存于恒温箱内，从而可减小温度对待测液体粘滞系数测量的影响，使得待测液体粘滞测量的准确性较高。
31.在平台1上设置有水平仪，以便判断平台1的水平，保证箱体2、圆筒3的水平，进而保证小球4在水平方向上作直线运动。
32.具体的，小球4包括球壳41、堵盖42以及两个拉环43。球壳41的直径小于圆筒3的内径，且球壳41内部中空并形成有开口，以便将液体(可采用汞、蜂蜜等稳定性强的液体)加入球壳41内，进而保证储存有液体的小球4的重力等于其在箱体2内所受浮力，从而使得小球4可在加入待测液体的箱体2内处于悬浮状态，保证小球4的水平直线运动，减少压强变化而对粘滞系数的影响。堵盖42可拆卸连接于球壳41，以对球壳41的开口形成封闭；两个拉环43分别固定于球壳41直径方向的两端，且两个拉环43的连线垂直于球壳41的开口方向，以使小球4处于悬浮状态时，小球4的开口向上，减少球壳41内的液体流出的几率；细绳5的一端
系于拉环43上。
33.重物单元6包括架体61、一号滑轮62、二号滑轮63、三号滑轮64以及重物65，架体61固定于平台1上；一号滑轮62设置于箱体2内，两个一号滑轮62分别位于圆筒3两端，且等高；二号滑轮63设置于箱体2上端，三号滑轮64固定于架体61上，并与二号滑轮63等高。细绳5的一端连接于拉环43，且该端与圆筒3的中心轴线同直线，另一端依次绕过一号滑轮62、二号滑轮63以及三号滑轮64。重物65可采用砝码，固定于细绳5的另一端，且两个重物65的重量不同，以在重力的作用下拉动小球4在圆筒3内作水平直线运动。
34.测试单元7包括小车71、遮光片72以及两个光电门73，小车71设置于重量更重的重物单元6上，并位于架体61上，遮光片72固定于小车71和细绳5上；两个光电门73间隔设置于架体61上，且相对于小车71靠近重物65。
35.其中，圆筒3的长度大于小车71行驶的距离，即大于小球4的水平位移，以保证小车71带动小球4始终在圆筒3内移动，保证测量结果的准确性。
36.在架体61上设置有起步标识线，以便每一次测试时均能快速找到并从相同的起点放开小车71。当然，在其他实施例中，可在架体61上设置导轨，使得小车71在导轨上继续移动，并在导轨上设置刻度，以便直观判断小车71移动的距离。
37.在其他实施例中，可将测试单元7设置为超声波测速仪，测速仪发出并接受到超声波脉冲信号，根据发出和接收到的信号间的时间差，测出小车71的速度，即得小球4的速度。
38.参照图3，对待测液体的具体粘滞系数进行测量计算。
39.s1、根据阿基米德定理计算出注入球壳41液体(汞)的质量，并将液体注入球壳41，静置小球4；注入液体(汞)质量计算公式如下：
40.m
汞
＝ρ
液v排-m
球
41.其中，ρ
液
为待测液体的密度，v
排
为小球4排开待测液体的体积。
42.s2、测试系统的摩擦力f：
43.①
先在不放置小球4的情况下，将两根细绳5连接，调整滑轮高度及方位，并通过水平仪使得实验装置处于水平，测得小车71到第一个光电门73的距离s；
44.②
然后同时释放两个重物65，设重物65分别为m1、m2，且m1的质量小于m2的质量，并设遮光片72通过第一个光电门73的时间为t，得到小车71的加速度为：a＝t2/(2s)。
45.③
再对重物m2进行受力分析，可得：m2a＝m2g-m1g-f。
46.得到系统摩擦力为：f＝m2g-m1g-(m2t2)/(2s)。
47.s3、测量待测液体的粘滞阻力并得到粘滞系数：
48.①
先将小球4置于待测液体中，并将两根细绳5分别连接于两个拉环43，使得细绳5连接于拉环43的一端位于圆筒3的中心轴线上，调整滑轮高度及方位，并通过水平仪使得实验装置处于水平；
49.②
然后同时释放两个重物65，通过两个光电门73记录小车71进行匀速运动时的速度v；
50.③
通过斯托克斯公式可得小球4受到的粘滞阻力为：f
粘滞
＝6πvrμ，并得到粘滞系数为：μ＝(m2t2)/(12πvrs)，其中，r为小球4的半径；
51.④
因为实际测得的速度v0和上式中的速度v存在以下关系：
52.v＝v0*[1 2.4r/r’][1 3.3r/d]，
[0053]
可得粘滞系数的修正公式为：
[0054]
μ＝(m2t2)/{12πv0rs[1 2.4r/r’][1 3.3r/d}，
[0055]
其中，r’为圆筒3的内径，d为圆筒3的长度；
[0056]
⑤
由于斯托克斯公式适用于无涡流产生的理想实验状况，但在实际测量时无法达到这种理想状态，所以需引入雷诺系数：
[0057]
re＝2ρ
液v0
r/μ；
[0058]
⑥
采用二次近似，得到：
[0059]
μ’＝μ*(1 3re/16-19r
e2
/1080)-1
；
[0060]
即得，真实待测液体的粘滞系数为：
[0061][0062]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。