落針法測定液體的粘滯系數(shù)

1、 用落針法測定液體的粘滯系數(shù)實(shí)驗(yàn)粘滯系數(shù)是反映流體理化特性的一個(gè)重要參數(shù)。它與液體的性質(zhì)和溫度有關(guān)。石油在管道中的傳輸，機(jī)械工業(yè)潤滑油的選擇，物體在液體中的運(yùn)動(dòng)都與液體的粘滯系數(shù)有關(guān)。落針法測定液體粘滯系數(shù)，使用中空長圓柱（針）在待測液體中垂直下落，采用霍爾傳感器和多功能毫秒計(jì)（單板機(jī)計(jì)時(shí)器）測量落針的速度，通過測量針的終極速度，確定粘度，并將其顯示出來。巧妙的取針裝置和投針裝置，使測量過程十分簡便，并且自動(dòng)計(jì)算顯示結(jié)果。該法可測量不透明液體的粘度和液體密度。實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、學(xué)會(huì)用落針法測量液體的粘滯系數(shù)。2、學(xué)習(xí)用霍爾傳感器與單板機(jī)記錄針的下落時(shí)間。實(shí)驗(yàn)儀器一落針式粘滯系數(shù)實(shí)驗(yàn)儀、游標(biāo)卡尺、鋼直

2、尺、物理天平、氣泡水準(zhǔn)器、密度計(jì)等。實(shí)驗(yàn)原理各種實(shí)際液體具有不同程度的粘滯性。當(dāng)液體流動(dòng)時(shí)，平行于流動(dòng)方向的各層流體速度都不相同，即存在著相對滑動(dòng)，于是各層之間就有摩擦力產(chǎn)生，這一摩擦力稱為粘滯力。它的方向平行于接觸面，其大小與速度梯度及接觸面積成比。比例系數(shù) 稱為粘滯系數(shù)（粘度）。本實(shí)驗(yàn)采用中空長圓柱體（針）在待測液體中垂直下落，通過測量針的收尾速度確定粘度。當(dāng)針在待測液體中沿容器中軸垂直下落時(shí)，經(jīng)過一段時(shí)間，針?biāo)苤亓εc粘滯阻力以及針上下端面壓力差達(dá)到平衡，針變?yōu)閯蛩龠\(yùn)動(dòng)，這時(shí)針的速度稱為收尾速度，此速度可通過測量針內(nèi)兩磁鐵經(jīng)過傳感器的時(shí)間間隔 T 求得。在恒溫條件下，求粘度 的公式為：

3、=×gR22(sL)×1+23Lr× (InR11)（1）2×V1 +32CwLr× (InR1R21)R2式中，R1-容器內(nèi)筒半徑，R2-落針外半徑，V -針下落收尾速度，g-重力加速度， s -針的有效密度， L-液體密度， -液體粘度，其中Cw和Lr為壁和針長的修正系數(shù)Cw = 1 2.04k +其中 k =2.09k3R2R10.95k5Lr = (L 2R1)2R2（2）在實(shí)際情況下，上面（1）式可作簡化，并考慮到 V =LTL-兩磁鐵同名磁極的間距，T-兩磁鐵經(jīng)過傳感器的時(shí)間間隔。則（1）式可改寫為：222 =gRT2RRR22L(

4、s L)(1 +3l)(In1R12+22)（4）r2RR這樣，可計(jì)算粘度 。12因?yàn)閷⒂?jì)算 的程序已固化在單板機(jī)中，所以，利用單板機(jī)可將粘度 計(jì)算并顯示，實(shí)現(xiàn)了智能化。實(shí)驗(yàn)裝置儀器由本體、落針、霍爾傳感器和單板機(jī)計(jì)時(shí)器四部分組成。本體結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。用透明玻璃管制成的圓筒容器，筒內(nèi)盛放待測液體（如蓖麻油），筒豎直固定在水平機(jī)座上，機(jī)座底部有調(diào)水平的螺絲，用一水準(zhǔn)泡指示底座的水平。底座上豎立的支架中部裝有霍爾傳感器及溫度計(jì)和取針器。圓筒容器頂部盒子上裝有投針裝置（發(fā)射器），它包括喇叭形的導(dǎo)環(huán)和帶永久磁鐵的拉桿。裝此導(dǎo)環(huán)為便于取針和讓針沿容器中軸線下落。用取針裝置把針由容器底部提起，針沿導(dǎo)環(huán)

5、到達(dá)蓋子頂部，被拉桿的磁鐵吸住。拉起拉桿，針因重力作用而沿容器中軸線下落。針如圖 2 所示，它是有機(jī)玻璃制成的內(nèi)置鉛條的細(xì)長圓柱體，其外半徑為R2，平均密度為 s ，在針的內(nèi)部兩端裝有永久磁鐵，異名磁極相對，兩同名磁極間的距離為L?；魻杺鞲衅?，做成圓柱體，固定在儀器本體上。輸出信號接到單板機(jī)計(jì)時(shí)器上。每當(dāng)磁鐵經(jīng)過霍爾傳感器前端時(shí)，傳感器即輸出一個(gè)矩形脈沖，同時(shí)有 LED（發(fā)光二極管）指示。以單板機(jī)為基礎(chǔ)多功能毫秒計(jì)用以計(jì)時(shí)和處理數(shù)據(jù)。該計(jì)時(shí)器完成兩次脈沖之間的計(jì)時(shí)，接受參數(shù)輸入，并將結(jié)果計(jì)算和顯示出來。實(shí)驗(yàn)步驟1、用游標(biāo)卡尺測量針的直徑 2 R2，用鋼直尺測量針的兩同名磁極間的距離L，每個(gè)量在

6、不同部位測 5 次；用物理天平稱出針的質(zhì)量m,稱 5 次。2、用密度計(jì)測量液體的密度 L（或由實(shí)驗(yàn)室給出）3、取下圓筒上端的蓋子，用游標(biāo)卡尺測量圓筒內(nèi)徑 2 R1，在不同部位測 5 次（或由實(shí)驗(yàn)室給出）。將針放入液體中，然后蓋上蓋子，從溫度計(jì)上讀出實(shí)驗(yàn)時(shí)的溫度。4、接通電源，此時(shí)單板機(jī)計(jì)時(shí)器應(yīng)顯示“PH-2”，否則應(yīng)按“復(fù)位”健。利用取針器將針懸掛在圓筒上端的磁鐵上。然后將取針器送至底座轉(zhuǎn)向放置，以避免取針器上的磁鐵對落針產(chǎn)生影響。按“2”鍵顯示“H”表示毫秒計(jì)進(jìn)入計(jì)時(shí)待命狀態(tài)。5、稍微轉(zhuǎn)動(dòng)蓋子，將針調(diào)到圓筒中軸線上，待液體穩(wěn)定后，拉起投針裝置的磁鐵，讓針落下，這時(shí)霍爾傳感器被觸發(fā)，計(jì)時(shí)器工作

7、，等候約 16 秒，數(shù)顯表顯示針下落距離 I 的時(shí)間 t（單位：毫秒）。6、繼續(xù)操作單板機(jī)，第一次按A鍵顯示預(yù)先設(shè)置的落針的有效密度 s （2260kg/m3），第二次按A鍵顯示蓖麻油的有效密度 L（950kg/m3），以上兩數(shù)值均可修改，第三次按A鍵顯示該設(shè)定溫度下的液體粘度 。7、用取針裝置將針拉起，重復(fù)測量 35 次測量 t 和 ，每次應(yīng)先按“復(fù)位”健，在顯示“PH-2”后，再重復(fù) 4、5、6 各步驟。規(guī)格和主要技術(shù)參數(shù):內(nèi)筒內(nèi)半徑R1=18.5mm3針外半徑R2= 3.5mm3蓖麻油密度L(20°C時(shí)) = 950 kgm有效密度s = 2260 kgm針質(zhì)量 m = 16.

8、0× 103kg數(shù)據(jù)表格及數(shù)據(jù)處理1數(shù)據(jù)記錄表格被測量針同名磁極針外徑針內(nèi)同名磁極間距 L = 170mm管內(nèi)徑針質(zhì)量下落時(shí)間測量次數(shù)12345平均值 =間距L(mm)2R21=2R1m(g)g =t(s)2由表格的數(shù)據(jù)及其他有關(guān)數(shù)據(jù)代入式（4），計(jì)算出流體的粘滯系數(shù) 。3將由式（4）計(jì)算的 值與單板機(jī)顯示的 值比較,計(jì)算誤差。思考與討論1 本實(shí)驗(yàn)方法能否測定水的粘滯系數(shù)？2 在式（4）中，若修正因子 C 引起的誤差忽略不計(jì)，g 作為常量，試推導(dǎo)估算 的相對誤差公式，并指出產(chǎn)生誤差的主要因素是什么？如何減少誤差？3 若有兩個(gè)密度不同的針，試說明如何利用本實(shí)驗(yàn)裝置測量液體的密度？并推導(dǎo)測量公式。 注意事項(xiàng)1、讓針沿圓筒中心軸線下落。2、落針過程中，針應(yīng)保持豎直狀態(tài)，若針頭部偏向霍爾控頭，數(shù)據(jù)偏大；若針尾部偏向霍爾探頭，數(shù)據(jù)偏小。3、用取針裝置將針拉起懸掛在容器上端后，由于液體愛到擾動(dòng)，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，應(yīng)稍待片刻，