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1、 实验三 变温法及旋转法测定液体粘滞系数 - 61 -实验三 变温法及旋转法测定液体粘滞系数仪器概述 变温式落针粘度计是在智能型落针粘度计的基础上研制的，用以研究液体的粘度（粘滞系数）随温度变化的关系。中空长圆柱体（针）在待测液体中垂直下落，通过测量针的收尾速度确定粘度。采用霍尔传感器和多功能毫秒计（单片机计时器）测量落针的速度。并将粘度显示出来。对待测液体进行水浴加热，通过控温装置，达到预定的温度。巧妙的取针装置和投针装置，使测量过程极为简便。既适应于牛顿液体，又适应于非牛顿液体，还可测定液体密度。本仪器既可供大专院校做教学实验，又可供厂矿测量液体的密度。仪器结构 仪器外形示意图（如图1）所
2、示。由本体、落针、霍尔传感器，单片机计时器和控温系统五部分组成。 图11 粘度计本体本体结构如图2所示。用透明玻璃管制成的内外两个圆筒容器，竖直固定在水平机座上，机座底部有调水平的螺丝。内筒长550mm，内筒内直径（2R1）约40mm，外筒外直径约60mm。内筒盛放待测液体（蓖麻油），内外筒之间通过控温系统灌水，用以对内筒水浴加热。外筒的一侧上、下端各有一接口，用橡胶管与控温系统的水泵相连。机座上竖立一块铝合金支架，其上装有霍尔传感器和取针装置。圆通容器顶部盒子上装有投针装置（发射器）它包括喇叭形的导环和带永久磁铁的拉杆。装此导环为便于取针和让针沿容器中轴线下落。用取针装置把针由容器底部提起，
3、针沿导环到达盖子顶部，被拉杆的磁铁吸住。拉起拉杆，针因重力作用而沿容器中轴线下落。2针针如图3所示，它是有机玻璃制成的空细长圆柱体，总长为L（约185mm），其外半径为R2，直径为d，约5.7mm，有效密度为S，它的下端为半球形，上端为圆台形，便于拉杆相吸。内部两端装有永久磁铁，异名磁极相对。磁铁的同名磁极间的距离为H（170mm），内部有配重的铅条，改变铅条的数量，可改变针的有效密度S。1 水泵2 待测液体3 水4 酒精温度计5 控杆6 落针7 单片机计时器磁铁564橡胶管L7321H铅条 图2 图33、霍尔传感器它是灵敏度极高的开关型霍尔传感器，做成圆柱状，外部有螺纹，可用螺母固定在仪器本
4、体的铝板上。输出信号通过屏蔽电缆、航空插头接到单板机计时器上。其电路方框图如图4所示。传感器由5V直流电源供电（来自单片机计时器），外壳用非磁性金属材料（铜）封装，每当磁铁经过霍尔传感器前端时，传感器即输出一个矩形脉冲，同时有LED（发光二极管）指示。这种磁传感器的使用，为透明液体的测量带来方便。霍尔传感器有常开、常闭两种类型，本仪器具有自动识别功能，两种霍尔传感器都适应本仪器。传感前置放大微分处量输出LED指示整形驱动补偿短路保护 VAC稳压 图44、单片机计时器 以单片机为基础的毫秒计用以计时和处理数据，硬件采用MCS51系列微机处理芯片，软件固化在EPROM中，霍尔传感器产生的脉冲经整形
5、后，从航空插座输入单片机，由计时器完成两次脉冲之间的计时，可以接受参数输入，并将结果计算和显示出来。其面板如图5所示。5、控温系统控温系统由水泵、加热装置及控温装置组成。微型水泵运转时，水流自粘度计本体的底部流入，自顶部流出，形成水循环，对待测液体进行水浴加热，加热功率为100W，并通过控温装置的调节，达到预定温度。待测液体的温度直接由数码显示。电源显示温控显示数码显示数码显示 PH-III变温粘滞系数实验仪南京恒立达光电仪器厂控温开关按键电源开关图5仪器工作原理当针在待测液体中沿容器中轴垂直下落时，经过一段时间，针所受重力与粘滞阻力以及针上下端压力差达到平衡，针变为匀速运动，这时针的速度称为
6、收尾速度，此速度可通过测量针内两磁铁经过传感器的时间间隔T求得。对于牛顿液体，在恒温条件下，求动力粘度的公式为：g*R22(s-t)1+2/3Lr1+3*(lnR1/R2-1)/(2CwLr)2*V= * * (LnR1/R2-1) (1)式中，R1容器内筒半径，R2落针外半径，V针下落收尾速度，g重力加速度，S针的有效密度，t液体密度，液体粘度，其中壁和针长的修正系数为：Cw=1-2.04K+2.09K3-0.95K5 （2）其中K=R2/R1Lr=（L-2R2）/2R2 （3）在实际情况下，上面（1）可作简化，并考虑到LT两磁铁同名磁极的间距t两磁铁经过传感器的时间间隔。 则（1）式可改写
7、为：R12-R22g*R22tR12+R222l= *(pS-pt)(1+2/3LT)* （LnR1/R2- ） (4)在变温条件下，还必须考虑到液体密度随温度的改变t =0/1+（t+t0） （5）值可用实验方法确定，大约=0.93103/0=20963kg/m3，t0=20这样，将（5）式代入t0（1）式，即可计算粘度。因为将计算的程序已固化在EPROM中，所以，利用单板机可将粘度计算并显示，实现了智能化。安装2. 将仪器本体放在平整的桌面上，取下容器盖子，将待测液体（如蓖麻油）注满容器（务必注满！）再将盖子加在容器上，用底脚螺丝可调节粘度计本体，通过水准仪观察平台是否水平，即圆筒容器是否
8、垂直。3. 将仪器本体的橡皮管连接到控温系统上。下面的橡皮管接控温系统后面板上的出水孔，上面的橡皮管接入水孔。用漏斗往水箱内注水，加水完毕，经检查确认没有渗漏后，擦干仪器及机身。4. 将霍尔传感器安装在粘度计的铝板上，让探头与圆筒容器垂直，并尽量接近圆筒。传感器的输出电缆接到功能毫秒计的航空插座上。使用方法5. 研究液体粘度随温度的变化1) 接入仪器电源，打开电源开关，仪器显示PH2以及温度数值。2) 加热液体：打开控温开关，将温控器调到某一温度，（例如高于室温5）此时红色指示灯亮，对待测液体进行水浴加热，到达设定温度后，指示灯熄灭进行保温，由于热惯性，需待片刻即可达到平衡稳定。3) 用游标卡
9、尺测量针的直径，用米尺测量针的长度L，计算针的体积V（用量筒直接测量针的体积即可）。用天平测量针的质量m，从而求出针的有效密度S=m/v。4) 用比重计测量液体的密度t，若无比重计，t由实验室给出。（或根据公式（5）算出预定温度下的液体密度）。5) 取下容器上端的盖子，将针放入液体中，然后盖上盖子用取针装置将针拉起。6) 按仪器面板上的复位键，显示“PH2”，表示毫秒计进入复位状态。7) 按“2”键，显示H，表示毫秒计进入计时待命状态。8) 将投针装置的磁铁拉起，让针落下，稍等片刻，毫秒计显示时间（单位：毫秒）按A键将提示修改参数，第三次按A键显示该设定温度下的液体粘度。9) 用取针装置将针拉
10、起，重复测量。10) 实验者还可使用仪器上计时的“7”键，启动电子秒表功能，测定针下落的时间，与上述计时进行核对。11) 设定其他温度，继续加热液体，测定该温度下液体的粘度，做粘度与温度关系曲线。6. 测液体密度在某一温度下，在待测密度的液体中，先后将已知密度的两针（密度不同）投入，由于液体粘度对两个针来说是一样的，所以在（4）式中消去粘度，只余下液体密度t是未知的，将针的密度代入，可求得液体密度。设1号针的密度为S1，收尾速度为Vt1，2号针的密度为s2，速度为Vt2，则液体密度为： （6） 因为Vt1=1/t1,Vt2=1/t2,则（6）式可改写为 （7） （7）式中计算液体密度的公式。注
11、意事项1. 应让针沿圆筒中心轴线下落。2. 落针过程中，针应保持竖直状态，若针头部偏向霍尔探头，数据偏大，若针尾部偏向霍尔探头，数据偏小。3. 用取针装置将针拉起悬挂在容器上端后，由于液体受到扰动，处于不稳定状态，应稍待片刻，再将针投下，进行测量。4. 取针装置将针拉起并悬挂后，应将取针装置上的磁铁旋转，离开容器，以免对针的下落造成影响。5. 建议实验者先在复位后用计停键手动测量落针时间，然后用霍尔探头作自动测量，训练实验技巧。6. 取针和投针时均需小心操作，以免把仪器本体弄倒、打坏圆筒容器。7. 液体温度指的是待测液体的整体温度，温度探头在玻璃管上方，故仪器显示的温度为上方液体的温度，应在待
12、测液体加热均匀后再进行实验。仪器和器材 粘度计本体、霍尔传感器、单片机计时器、控温系统、针（2只）用途NDJ-1旋转式粘度计是用于测量液体的粘性阻力与液体的绝对粘度的新型仪器。广泛适用于测定油脂、油漆、塑料、食品、药物、胶粘剂等各种流体的粘度。主要技术规格测定范围： 中粘度 10100000mpa.s 低粘度 0.1100mpa.s 中粘度 1、2、3、4号四种转子 低粘度 0号转子转子转速：6转/分 12转/分 30转/分 60转/分测量误差：5 （牛顿液体）电 源：220V 10V 50Hz外形尺寸：300300450 mm净 重：1.5 Kg（不包括支架）结构原理1 如图所示，同步电机以
13、稳定的速度旋转，连接刻度圆盘，再通过游丝和转轴带动转子旋转。如果转子未受到液体的阻力，则游丝，指针与刻度圆盘同速旋转，指针在刻度盘上指出的读数为“0”。反之，如果转子受到液体的粘滞阻力，则游丝产生扭矩，与粘滞阻力抗衡最后达到平衡，这时也游丝连接的指针在刻度圆盘上指示一定的读数（即游丝的扭转角）。将读数乘上特定的系数即得到液体的粘度（mpa.s）2 利用齿轮系统及离合器进行变速，由专用旋转旋钮操作，分四档转速，根据测定需要选择。3 按仪器不同规格附有0至4号五种转子，可根据被测液体粘度的高低随同转速配合选用。4 仪器装用指针固定控制机构，为精确读数用。当转速较快时（30转分，60转分）无法在旋转时进行读数，这时可按下指针控制杆，使指针固定下来，便于读数。5 保护架是为了稳定测量和保护转子用。使用保护架进行测定能取得较稳定的测量结果。被测液体指 针刻度圆盘转 子游
