集成霍爾開關傳感器液體黏度測定儀的設計與測試

賈曉倩，張凱悅，李秉陽，陳英杰

(曲阜師范大學 物理工程學院，山東 曲阜 273165)

液體黏度，是描述表征黏滯性強弱的物理量[1]. 黏度的測定，對于預測產品生產過程的工藝控制、輸送性以及產品在使用時的操作性，具有重要的指導價值，在印刷、醫藥、石油、汽車等諸多行業有著重要的意義. 測量液體黏度有多種方法，如落球法[2-4]、升球法[5]、轉筒法[6]、毛細管法[7]等. 對于黏度較大的液體如蓖麻油、甘油，常采用落球法測量. 在落球法實驗中，對小球下落時間可用手動秒表計時、光電門計時[8]、CCD拍照計時[9]等，但這些手段只適用于透明液體的測量. 為了克服現有實驗裝置無法測量非透明液體黏度的不足，該改進實驗引入了高靈敏度的集成霍爾開關型傳感器，并與自制的計時器相結合，實現了感應-計時功能.

1 實驗原理

沿容器中心軸線方向，質量為m、體積為V的小磁球下落在密度為ρ的黏性液體中，隨速度的增加黏滯阻力變大，重力、浮力和黏滯力很快平衡，加速度為0，小球將以恒定速度v勻速向下運動，根據理論公式可求得液體黏度為

其中，d是小球的直徑,D為容器內徑，H為液柱高度,L為小球勻速下落的距離，t為小球下落L距離所用時間,λ1=2.40，λ2=1.65(復旦大學物理實驗教學中心提供數據).

2 傳統黏度實驗的弊端

傳統的黏度測定實驗一般是通過肉眼觀察和人工秒表計時，找到小球勻速下落的一段距離并測量小球在該距離下落的時間. 由于存在視差和反應誤差，對小球下落時間測量不精準，而且需要較高的容器，對待測液體需求量大，實驗成本高. 根據實驗原理，只有當小球沿容器的中心軸線下落時，小球球面的液層與周圍其他液層的相對速度才會相同，但在傳統的實驗過程中，實驗者需根據經驗將小球在容器口的中心位置釋放，很難精確地讓小球從容器的中心軸線上下落，實驗成功率低，另外，實驗裝置沒有密封，實驗材料易污染變質.

3 改進方法

改進的實驗裝置如圖1所示，待測液體裝在細長的有機玻璃管中，管上套有A和B結構組成相同的感應板，感應板上有便攜式水平儀(可對其調水平). 每個感應板上固定有4塊電路板，每塊電路板上裝有高靈敏度的集成霍爾開關傳感器和LED感應指示燈，其中1塊電路板上有1片邏輯與門芯片. 4個集成霍爾開關傳感器緊貼管壁邊沿排列在同一圓周上，間隔90°，提高測量準確度. 實驗中的小球為強磁性小球(材料為釹鐵硼)，當磁球經過感應板時，只要4個傳感器中的任意1個感應到磁場即輸出低電平，其對應的LED指示燈會熄滅1次. 4個傳感器的信號均經過1片邏輯與門輸出，驅動計時器工作. 感應部分電路如圖2所示.

圖1 實驗裝置

圖2 感應部分線路圖

自行設計并制作的計時器電路圖如圖3所示. 該計時器的系統程序由主程序、定時中斷服務程序、外部中斷0服務程序和外部中斷1服務程序4部分組成，結合STC89C51單片機、4位共陰極數碼管、譯碼器等，能實現0～99.99 s的計時功能，計時精度為0.01 s. 計時器的P3口外接感應板A，B和無鎖開關，分別控制計時的開始、暫停和復位.

圖3 計時器電路圖

為了使小球精準地沿容器的中心軸線下落且避免拉桿移走過程中方向偏差對小球造成的影響，制作了如圖4所示的模型蓋. 與玻璃管口相匹配的圓蓋恰好卡在模型上，模型的中心軸線上穿過鐵質拉桿，與蓋子的中心相接觸. 實驗時，被待測液體浸潤過的磁性小球通過鐵桿吸附在蓋子的反面中心處，將鐵桿沿模型豎直拉起，小球失去磁力作用后，沿著容器的中心軸線下落，進入液面. 在非實驗階段，將蓋子留在管口，防塵防污染，提高實驗材料利用率. 另外，在回收小球時，如果直接伸入液面會對待測液體造成污染，因為實驗小球為磁性球，可以借助鐵塊沿玻璃管外壁吸附出小球.

圖4 帶鐵質拉桿的模型蓋

供電部分，由于計時器和電路板上的電子器件都需要低值直流電壓，因此制作了LM317可調穩壓電源，該裝置可將220 V的交流電壓經過電源變壓器、整流電路、濾波器和穩壓電路變壓為3～12 V直流電壓. 電源電路圖如圖5所示.

在投入實際實驗教學使用時，可將裝置整合為3部分(裝置設計如圖6所示)：

1)容器架(感應板可上下自由移動，容器套在2板上的中心孔里，再用容器夾固定)；

2)單片機計時器；

3)可調直流電源.

將本作品整合后制成的實驗裝置，既克服了傳統實驗室裝置的諸多弊端又具有搭建快捷、移動方便等優勢，可廣泛應用于各高校實驗室，替代原有液體黏滯系數測定實驗裝置.

圖5 電源電路圖

圖6 實驗裝置設計圖

4 實驗數據

實驗以蓖麻油和洗發液(乳白色非透明液體)為待測液體，測量其黏度.

4.1 透明液體黏度的測量

表1 蓖麻油溫度為29℃時小球的測量數據

由理論公式計算出蓖麻油的黏度為η=0.494 1 Pa·s，與其標準值[10](如表2所示)相比偏差Er=5.1%. 改變蓖麻油溫度，測量不同溫度下的黏度，測量結果如表3所示. 蓖麻油黏度隨溫度變化情況如圖7所示.

表2 不同溫度下蓖麻油黏度的標準

表3 不同溫度下蓖麻油的黏度測量結果

4.2 非透明液體黏度的測量

利用該裝置，用與上述實驗相同的方式，測量了非透明洗發液的黏度.

某洗發液的密度ρ=1.15×103kg/m3，溫度T=31 ℃，量筒直徑D=30.01 mm，液柱高度h=46 cm，小球質量平均值m=1.3 g，勻速下落區間L=10 cm，平均下落時間t=15.638 s，測得洗發液黏度η=16.546 Pa·s.

5 結束語

相比傳統實驗人工視覺觀察小鐵球下落位置計時，該設計利用小磁球的磁信號通過集成霍爾開關傳感器轉化成數字信號輸入自制的計時器來計時，避免了傳統實驗中存在的誤差，并實現了對透明和非透明液體的黏度均可以測量. 在容器頂部加裝中心帶鐵質拉桿的蓋子，既能控制小球精準的沿容器的中心軸線下落又能防塵防污染；不再需要高大的容器盛放待測液體，實驗成功率高，成本低. 在用落球法測量液體黏滯系數的同時融入集成霍爾開關實驗，應用數字電路、模擬電路、單片機等方面的知識，在實際教學過程中，能激發學生探索興趣，引導學生多方位學習.