可控溫式液體黏度測定儀的設計與測試

張凱悅，潘國華，賈曉倩，陳英杰

(1.曲阜師范大學 物理工程學院，山東 曲阜 273165； 2.樂陵市第一中學,山東 樂陵 253600)

液體黏度是決定液體力學特征的重要物性參量，影響著液體傳熱和傳質特征，在化工、食品、醫學等領域，黏度是液體的基礎物性數據之一. 在一般高校的普通物理實驗中，用于測量液體黏度的方法有毛細管法、落球法等[1-6]. 對于甘油等黏度較大的液體，一般采用落球法測量. 用這種實驗方法，通常用手動秒表計時、CCD拍照計時等[7-8]方式測量小球的下落時間，但這僅限于實驗用液體為透明液體的情況. 另外，溫度是影響黏度的重要因素，因此對于同一液體不同溫度下黏度的研究也有著重要意義. 本文對落球法測量液體黏度的實驗進行了改進，解決了傳統實驗過程繁瑣、測不出不同溫度下不透明液體的黏度、實驗誤差較大等弊端.

1 實驗原理

傳統的落球法的實驗裝置如圖1所示. 用手動目測的方式將金屬小球自容器中心軸線處釋放，使其沿豎直方向下落，在下落過程中，小球受到的黏滯阻力隨其下落速度的增加而增大，最終它所受重力、浮力和黏滯阻力達到平衡，加速度變為0，小球終以速度v勻速向下運動，則該液體的黏度為[9]

式中,m和d是小球的質量和直徑，ρ為黏性液體的密度，D為所用容器的內徑，H為容器內液體的豎直高度. 小球勻速下落距離L所用時間為t，系數λ1和λ2分別為2.40和1.65[9]. 另外需測量待測液體的溫度，根據蓖麻油黏度隨溫度變化經驗公式[13]η=5.53exp(-0.085T)可得出某溫度下的標準值，計算實驗誤差.

圖1 傳統實驗裝置

2 實驗的改進

2.1 傳統落球法實驗的弊端

黏度測定實驗所用容器為高度約1 m、直徑約12 cm的玻璃量筒，待測液體液量需求大，實驗成本高. 實驗過程中依靠眼睛觀測小球的運動過程，利用秒表計時，憑經驗找出小球勻速下落的過程并測量小球在該運動過程的下落時間，如圖1所示. 因視差和反應誤差的存在，測量結果誤差較大. 其他待測物理量的測量采用煤油溫度計、直尺等簡單粗略的測量工具和測量方法，系統誤差大. 根據實驗原理，只有當小球球面的液層與周圍其他液層的相對速度相同時，測得的小球下落時間才會準確，這就要求小球必須沿容器的中心軸線下落. 在傳統的落球法測定液體黏度實驗過程中，實驗者只能憑經驗釋放小球，很難達到要求，實驗成功率低. 另外，待測液體的溫度受環境溫度的限制，難以在短時間內測量出不同溫度下的實驗結果.

2.2 改進方法

基于對現有實驗的分析，設計制作了如圖2所示的實驗裝置. 裝置分為3部分：多傳感器系統、加熱部分和供電部分.

圖2 實驗裝置

1)多傳感器系統

如圖3所示，自行設計并制作了以STC12C5 A60S2單片機為主控制器，結合12864顯示屏、超聲波測距模塊、DS18B20溫度傳感器等組成的集計時、測距、測溫及計算于一體的多傳感器系統. 其具體功能為：

a.計時. 待測液體裝在細長的石英玻璃管中，管上套有2個裝有水平儀的硬板A和B. 將實現感應功能的2個電路固定在硬板上，每個電路中裝有LED感應指示燈和高靈敏度的集成霍爾開關傳感器[11]. 用釹鐵硼強磁性小球替代傳統的無磁鐵球，當強磁性小球經過電路板時，傳感器感應到磁場變化即輸出低電平觸發計時模塊工作，LED指示燈隨之熄滅，小球經A和B時均觸發相應傳感器工作，從而實現計時功能. 計時精度為0.001 s,仿真電路如圖4所示.

圖3 單片機最小系統實物圖

圖4 計時部分電路圖

b.測距. 通過超聲波測距模塊測量A和B板之間的距離，其精度為0.01 cm. 其工作原理為：采用Trig端觸發測距，至少需要10 μs的高電平信號；模塊自動發送8個40 kHz的方波，自動檢測是否有信號返回；有信號返回，通過I/O口輸出高電平，高電平持續的時間就是超聲波從發射到返回的時間，測量距離=(高電平時間×聲速)[12-13]. 仿真圖如圖5所示.

圖5 測距部分電路圖

c.測溫. 將溫度傳感器DS18B20的探頭浸入待測液體內部，實時測量待測液體溫度，測量精度為0.1 ℃. 仿真圖如圖6所示.

圖6 測溫部分電路圖

d.計算. 將各傳感器收集到的數據與原有數據代入單片機程序中的計算公式，得出黏度和實驗誤差，最終與其他測量數據一同顯示于裝置的液晶顯示屏.

2)加熱部分

硅橡膠加熱帶寬度15 mm，U型纏繞在耐高溫的石英玻璃管外壁，連接智能數顯溫控儀、交流接觸器及PT100探頭鉑熱電阻，能對管內液體精準控溫，精度為0.1 ℃. 由于管徑小，且加熱帶幾乎覆蓋整個外壁，加熱均勻，升溫較快.

3)供電部分

為了實現高壓變低壓和電壓可調的實驗目的，制作了可調穩壓電源. 該電源可將220 V的交流輸入電壓變為3～12 V直流電壓，并可為電路板上的電子器件提供低值直流電壓.

另外，為避免傳統實驗中手動釋放小球造成的誤差，制作了如圖7所示模型蓋，以確保小球在要求位置下落. 鐵質拉桿穿過模型的中心軸線與玻璃管口相匹配的圓蓋的中心相接觸，磁性小球通過鐵桿的磁力作用吸附在蓋子的反面中心處，將鐵桿沿模型豎直拉起，磁球失去磁力作用后，沿著容器的中心軸線下落，進入液體. 這樣既能使小球精準地沿容器的中心軸線下落又能避免拉桿

圖7 帶鐵質拉桿的模型蓋

移走過程中方向偏差對小球造成的影響. 在不進行實驗時，將蓋子蓋在管口，可起到防塵、防污染的作用，同時還可以提高實驗材料的利用率.

3 實驗數據及誤差分析

選用透明液體蓖麻油和乳白色非透明液體洗發液為實驗材料，用改進后裝置測量了不同溫度下的黏度.

3.1 透明液體黏度的測量

蓖麻油密度ρ=975 kg/m3，量筒直徑D=20.00 mm，小球質量平均值m=0.70 g. 當溫度θ=38.5 ℃，10個小球的測量結果如表1所示. 蓖麻油黏度平均值為0.216，平均相對偏差2.83%.

表1 蓖麻油溫度為38.5 ℃時小球的測量數據

利用加熱部分控制待測液體溫度，測量不同溫度下的黏度，測量結果如圖8所示.

圖8 蓖麻油的黏度隨溫度的變化

3.2 非透明液體黏度的測量

某種洗發水的密度ρ=1.15×103kg/m3，溫度為31 ℃時黏度為16.546 Pa·s. 測量結果表明，洗發水溫度升高黏度降低，但變化不明顯.

4 結束語

對傳統落球法測量液體黏度實驗裝置進行改進，在容器頂部加裝中心帶鐵質拉桿的蓋子，能精確控制小球沿容器的中心軸線下落又能防塵防污染，利用精度較高的傳感器測量各待測量，不僅克服了傳統實驗不可測量不透明液體黏度的弊端，而且大幅度減小了實驗誤差. 此外，增添了加熱裝置，能在短時間內測量出不同溫度下的待測液體的黏度. 在測量液體黏度的實驗中融入霍爾開關實驗，并結合了數字電路、單片機、程序設計等多方面知識，既提高了實驗的準確性，又可引導學生進行多方位學習.