落球法測(cè)量液體的黏滯系數(shù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、落球法測(cè)量液體的黏滯系數(shù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告1、 實(shí)驗(yàn)題目 落球法測(cè)量液體的黏滯系數(shù)2、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?學(xué)會(huì)使用PID溫控試驗(yàn)儀 掌握用落球法測(cè)量液體的黏滯系數(shù)的基本原理 掌握實(shí)驗(yàn)的操作步驟及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理3、 實(shí)驗(yàn)器材 變溫黏度測(cè)量?jī)x、，ZKY-PID溫控實(shí)驗(yàn)儀、秒表、螺旋測(cè)微器， 鋼球若干實(shí)驗(yàn)儀器簡(jiǎn)介：1、 變溫黏度儀如右圖所示，待測(cè)液體在細(xì)長(zhǎng)的樣品管中能使液體溫度較快地與加熱水溫達(dá)到平衡，樣品管壁上有刻度線，便于測(cè)量小球下落的距離。樣品管外的加熱水套連接到溫控儀，通過(guò)熱循環(huán)水加熱樣品。底座下有調(diào)節(jié)螺絲釘，用于調(diào)節(jié)樣品管的鉛直。2、 開(kāi)放式PID溫控實(shí)驗(yàn)儀 溫控實(shí)驗(yàn)儀包含水箱、水泵、加熱器、控制及顯示電路

2、等部分。本實(shí)驗(yàn)所用溫控實(shí)驗(yàn)儀能根據(jù)實(shí)驗(yàn)對(duì)象選擇PID參數(shù)以達(dá)到最佳控制，能顯示溫控過(guò)程的溫度變化曲線和功率的實(shí)時(shí)值，能存儲(chǔ)溫度及功率變化曲線，控制精度高等特點(diǎn)。儀器面板如右圖所示：開(kāi)機(jī)后水泵開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，顯示屏顯示操作菜單，可選擇工作方式，輸入序號(hào)及室溫，設(shè)定溫度及PID參數(shù)。使用左右鍵選擇項(xiàng)目，上下鍵設(shè)置參數(shù)，按確認(rèn)進(jìn)入下一屏，按返回鍵返回上一屏。 進(jìn)入測(cè)量界面后屏幕上方的數(shù)據(jù)欄從左至右依次顯示序號(hào)，設(shè)定溫度、初始溫度、當(dāng)前溫度、當(dāng)前功率、調(diào)節(jié)時(shí)間等參數(shù)。圖形以橫坐標(biāo)代表時(shí)間，縱坐標(biāo)代表溫度（以及功率），并可用上下鍵改變溫度坐標(biāo)值。儀器每隔15秒采集一次溫度及加熱功率值，并將采得的數(shù)據(jù)示在圖上。

3、溫度達(dá)到設(shè)定值并保持2min溫度波動(dòng)小雨0.1，儀器自動(dòng)判定達(dá)到平衡，并在圖形區(qū)右邊顯示過(guò)渡時(shí)間ts，動(dòng)態(tài)偏差，靜態(tài)偏差e。 4、 實(shí)驗(yàn)原理 1、液體的黏滯系數(shù)：如果將黏滯流體分成許多很薄的流層，個(gè)流層的速度是不相同的。當(dāng)流速不大時(shí)，流速是分層有規(guī)律變化的，流層之間僅有相對(duì)滑動(dòng)而不混合。這中流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，其質(zhì)點(diǎn)沿著與管軸平行的方向做平滑直線運(yùn)動(dòng)的流動(dòng)成為層流。如下圖所示 實(shí)際流體在水平圓形管道中作層流時(shí)的速度分布情況，附著在管壁的一層流體流速為0，從管壁到管軸流體的速度逐漸增大，管軸出速度最大，形成不同流層。如下圖所示：假設(shè)流體沿X方向分層流動(dòng)，沿Y方向速度梯度為，相鄰流層接觸面積為S，實(shí)

4、驗(yàn)證明黏滯力f與它們的關(guān)系式如下：f=S 式中比例系數(shù)稱為流體的黏滯系數(shù)，簡(jiǎn)稱黏度，在國(guó)際單位制中，黏度的單位是Pa·S（帕·秒），它是指當(dāng)兩層流層間具有單位速度梯度時(shí)，沿流層單位面積上所受的內(nèi)摩擦力，該式稱為牛頓黏滯定律。 一般情況下，黏滯系數(shù)的大小與液體本身性質(zhì)、液體的溫度和流速有關(guān)。不同流體黏度不同，同種流體在不同溫度下黏度也不同。另外，流體的黏度還與壓強(qiáng)有關(guān)，在高壓下的流體黏度會(huì)有比較明顯的增加。 2、實(shí)驗(yàn)基本構(gòu)思：小球落在蓖麻油中下落，在豎直方向達(dá)到受力平衡時(shí)，開(kāi)始勻速運(yùn)動(dòng)，通過(guò)手里平衡的分析，找到影響蓖麻油黏度的因素，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)量出黏度的大小。 3、實(shí)驗(yàn)

5、原理：f 如右圖所示，質(zhì)量為m的金屬小球在黏滯液體中下落時(shí)，收到3個(gè)力分別為重力G、浮力F、以及黏滯阻力f。若液體的黏滯性較大，小球F 的質(zhì)量均勻、體積較小、表面光滑，小球在液體中下落不產(chǎn)生漩渦，而且下落速度較小，則小球收到的黏滯阻力為 f=3vd v 其中為液體的黏度，d為小球的直徑，v是小球在流體中運(yùn)動(dòng)時(shí)相對(duì)流體的速度。當(dāng)小球開(kāi)始下落時(shí)，速度較小，所受到的黏滯阻力也較小，這時(shí)，小G 的重力大于浮力和黏滯阻力之和，做加速運(yùn)動(dòng)；隨著小球速度的增加， 小球所受黏滯阻力也隨之增加，當(dāng)小球的速度達(dá)到一定數(shù)值v0時(shí)，三力平衡，小球受 外界合力為0，小球開(kāi)始勻速下落，此時(shí) G=F+f 即 mg=0gV+

6、3v0d式中m，V分別表示小球的質(zhì)量和體積，0表示液體密度。如果表示小球的密度，則小球的體積為 V= 小球質(zhì)量m為 m=V= 代入整理得 = 當(dāng)小球密度較大，直徑不是太小，而液體的黏度值又小時(shí)，小球在液體中的平衡速度v0會(huì)達(dá)到較大的值，奧西思-果爾斯公式反映出了液體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)托克斯的影響：f=3v0d(1+····) 其中Re為雷諾數(shù)，是表征液體液體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的無(wú)量綱參數(shù)。 Re=0v0d/ 當(dāng)Re小于0.1時(shí)，可認(rèn)為成立。當(dāng)0.1<Re<1時(shí)，應(yīng)考慮中1級(jí)修正項(xiàng)的影響，當(dāng)Re大于1時(shí)，還須考慮高級(jí)修正項(xiàng)。 考慮中1級(jí)修正項(xiàng)的影響以及玻璃管的影

7、響后，黏度1可表示為 1= 由于3Re/16是遠(yuǎn)小于1的數(shù)，將1/(1+3Re/16)按冪級(jí)數(shù)展開(kāi)后近似為1-3Re/16，式又可表示為： 1=- 已知或測(cè)量得到v、d、D、0、等參數(shù)后，由計(jì)算黏度，再由計(jì)算Re，若需計(jì)算Re的1次修正，則由計(jì)算經(jīng)修正的黏度1 。 3、PID調(diào)節(jié)原理 PID調(diào)節(jié)是自動(dòng)控制系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的一種調(diào)節(jié)規(guī)律，自動(dòng)控制系統(tǒng)的原理如下：調(diào)節(jié)器被控對(duì)象執(zhí)行單元設(shè)定值 e(t)u(t)被控量自動(dòng)控制系統(tǒng)框圖 假如被控量與設(shè)定值之間有偏差e(t)=設(shè)定值-被控量調(diào)節(jié)器依據(jù)e(t)及一定的調(diào)節(jié)規(guī)律輸出調(diào)節(jié)信號(hào)u(t)，執(zhí)行單元按u(t)輸出操作量至被控對(duì)象，使被控量逼近直至最

8、后等于設(shè)定值。調(diào)節(jié)器是自動(dòng)控制系統(tǒng)指揮機(jī)構(gòu)。 PID調(diào)節(jié)器是按偏差比例、積分、微分進(jìn)行調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)規(guī)律可表示為：u(t)= 11 式中Kp為比例系數(shù)。第二項(xiàng)為積分調(diào)節(jié)，T1為積分時(shí)間常數(shù)。第三項(xiàng)為微分調(diào)節(jié)，TD為微分時(shí)間常數(shù)。下圖為PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)過(guò)度過(guò)程：5、 實(shí)驗(yàn)步驟 1、檢查儀器后面的水位管，將水箱的水加到適當(dāng)值 平常加水從儀器頂部的注水孔注入。若水箱排空后第一次加水，應(yīng)該用軟管從出水孔將水經(jīng)水泵加入水箱，以便排出水泵的空氣，避免水泵空轉(zhuǎn)或發(fā)出嗡鳴聲。 2、設(shè)置PID參數(shù) 若對(duì)PID調(diào)節(jié)原理感興趣，可在不同升溫區(qū)間段有意改變PID參數(shù)組合，觀察參數(shù)改變對(duì)調(diào)節(jié)過(guò)程的影響，探索最佳控制參數(shù)。

9、若只是把溫控儀作為實(shí)驗(yàn)工具使用，則保持儀器設(shè)定的初值，也能達(dá)到較好的控制效果。 3、測(cè)定小球直徑 用螺旋測(cè)微器測(cè)定小球直徑d，并記錄數(shù)據(jù) 4、測(cè)定小球在液體中下落速度并計(jì)算黏度 測(cè)控儀溫度達(dá)到設(shè)定值后再等約10min，使樣品管中的待測(cè)液體溫度與加熱水溫完全一致才能測(cè)液體黏度 用鑷子夾住小球沿樣品管中心輕輕放入液體，觀察小球是否一直沿中心下落，若樣品管傾斜，應(yīng)調(diào)節(jié)其鉛直。測(cè)量過(guò)程中，盡量避免對(duì)液體的擾動(dòng)。 用秒表測(cè)量小球落經(jīng)一段距離的時(shí)間t，并計(jì)算小球速度v0，用或式計(jì)算黏度，記錄在表中，該表列出了部分溫度下黏度的標(biāo)準(zhǔn)值，可將這些值與測(cè)量值做對(duì)比，并計(jì)算相對(duì)誤差。最后做出-t圖像 實(shí)驗(yàn)完后，用磁

10、鐵將小球吸引至樣品管口，用鑷子夾入蓖麻油中保存，以備下次使用。6、 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及處理次數(shù)12345678平均值d/10-3m111111111 小鋼球直徑將實(shí)驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)代入公式 = 即可求得的值，測(cè)出便可求得實(shí)驗(yàn)相對(duì)誤差，處理后的數(shù)據(jù)如下表黏度的測(cè)定溫度/時(shí)間/s速度/(m/s)（測(cè)量值）/(Pa·s)*（標(biāo)準(zhǔn)值）/(Pa·s）相對(duì)誤差12345平均3026.9126.5926.4426.3426.0326.4620.00760.4410.4512.21%3518.7818.8818.9318.7218.8718.8360.01060.3140.3120.64%4013.3713.65