CN104297104A - 一种高精度变温式液体黏滞系数测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度变温式液体黏滞系数测量仪，包括有黏滞系数测试仪、恒温控制水箱、光电门控制电路；黏滞系数测试仪包括有测试仪底座，测试仪底座内安装有相互连接的直流稳压模块、光电门控制电路，测试仪底座的中部设有盛放待测液体的容器、水准仪，容器顶部的塞子上向容器内插设有感温探头，容器顶部的塞子圆心处开有一个圆孔；位于容器的两侧的测试仪底座上分别安装标有毫米刻度的支架，两支架上分别通过一个50分度的游标尺安装有光电门一、二的发射端和光电门一、二的接收端。本发明使用50分度的游标卡尺测量小钢球运行时间，使用光电门触发毫秒计进行计时，避免人为造成的误差，大大提高了实验的精确度。

Description

一种高精度变温式液体黏滞系数测量仪

技术领域

本发明主要涉及大学物理实验装置领域，尤其涉及一种高精度变温式液体黏滞系数测量仪。

背景技术

当液体内各部分之间有相对运动时，接触面之间存在内摩擦力，阻碍液体的相对运动，这种性质称为液体的粘滞性，液体的内摩擦力称为粘滞力。粘滞力的大小与接触面面积以及接触面处的速度梯度成正比，比例系数η称为粘度(或粘滞系数)。

对液体粘滞性的研究在流体力学，化学化工，医疗，水利等领域都有广泛的应用，例如在用管道输送液体时要根据输送液体的流量，压力差，输送距离及液体粘度，设计输送管道的口径。测量液体粘度可用落球法，毛细管法，转筒法等方法，其中落球法适用于测量粘度较高的液体。粘度的大小取决于液体的性质与温度，温度升高，粘度将迅速减小。例如对于蓖麻油，在室温附近温度改变1℃，粘度值改变约10％。因此，测定液体在不同温度的粘度有很大的实际意义，欲准确测量液体的粘度，必须精确控制液体温度。

发明内容

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种高精度变温式液体黏滞系数测量仪。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种高精度变温式液体黏滞系数测量仪，其特征在于：包括有黏滞系数测试仪、恒温控制水箱、光电门控制电路；所述的黏滞系数测试仪包括有测试仪底座，测试仪底座内安装有相互连接的直流稳压模块、光电门控制电路，测试仪底座上端面上设有电源开关、带有保险丝的电源底座一、数显计时器，带有保险丝的电源底座一与直流稳压模块连接，测试仪底座的中部设有盛放待测液体的容器、水准仪，容器的上、下端的侧壁上分别设有进水口、出水口，容器顶部的塞子上向容器内插设有感温探头，容器顶部的塞子圆心处开有一个圆孔；位于容器的两侧的测试仪底座上分别安装标有毫米刻度的支架，两支架上均设有用于光电门一、二上下移动的轨道，两支架上分别设有光电门一、二的发射端和光电门一、二的接收端，光电门一、二的发射端、接收端处分别通过一个50分度的游标尺安装在对应支架上；所述的光电门控制电路包括有CD4011芯片，直流稳压模块的电压输入端连接220V变6V的变压器，直流稳压模块的电压输出端并联光电门一、光电门二，光电门一、二以及数显计时器分别与CD4011芯片连接；所述的恒温控制水箱上设有加水口，恒温控制水箱的前面板上设有水位表、两个接线柱、温控开关，恒温控制水箱的后面板上设有出水口、进水口、溢水口、带保险丝的电源底座二、散热风扇，恒温控制水箱内设有大功率稳压电源、主控制器、加热片、制冷片，主控制器的信号输入端通过两个接线柱与感温探头连接，主控制器的信号输出端控制连接大功率稳压电源，大功率稳压电源与加热片、制冷片连接，所述的容器的进水口、出水口与恒温控制水箱的出水口、进水口连接。

所述的一种高精度变温式液体黏滞系数测量仪，其特征在于：所述的数显计时器上设有计时器复位键。

所述的一种高精度变温式液体黏滞系数测量仪，其特征在于：所述的容器与恒温水箱之间的管道上设有水泵，形成循环水路。

所述的一种高精度变温式液体黏滞系数测量仪，其特征在于：所述的测试仪底座的背面采用可拆卸的面板，测试仪底座的下端面上设有四个调整螺钉，调节四个调整螺钉使测试仪处于铅直状态。

所述的一种高精度变温式液体黏滞系数测量仪，其特征在于：所述的数显计时器的测量时间范围0.001s～99.999s，使用光电门一触发计时器开始计时，光电门二触发计时器暂停计时，数显计时器显示的时间为小刚球经过两个光电门的时间间隔。

所述的一种高精度变温式液体黏滞系数测量仪，其特征在于：所述的光电门一、二的发射端的发射光为红色可见激光，发射光孔径为0.9mm，光孔圆心与50分度的游标尺零刻度对齐。

所述的一种高精度变温式液体黏滞系数测量仪，其特征在于：所述的光电门一、二的接收端为NPN常开型，接收端中心点与50分度的游标尺零刻度对齐，并在接收端安装了LED灯和蜂鸣器，LED灯和蜂鸣器与CD4011芯片连接；当激光对射接收端时，LED灯亮，当接收端被遮光时，LED灯灭，蜂鸣器鸣叫。

所述的一种高精度变温式液体黏滞系数测量仪，其特征在于：所述的盛放待测液体的容器为双层透光玻璃材质容器。

所述的一种高精度变温式液体黏滞系数测量仪，其特征在于：所述的圆孔直径为2.2mm，用于使直径为2mm左右的小钢球在容器中待测液体的中心处落下。

本发明的光电门控制电路主要由变压器、直流稳压模块、光电门一、光电门二、CD4011芯片、蜂鸣器等元件焊接的电路，用来控制计时器启动计时和停止计时。CD4011芯片为四个相同的与非门组成，控制计时器、声、光同步指示。光电门一和光电门二是由发射端和接收端组成，当小球经过光电门一，产生高电平脉冲触发计时器开始计时，LED灯亮，蜂鸣器响，当小球经过光电门二，产生高电平脉冲触发计时器停止计时，LED灯亮，蜂鸣器响，读出计时器显示的时间，即为小球经过两光电门间距的时间。

本发明的优点是：

本发明使用50分度的游标卡尺测量小钢球运行时间，使用光电门触发毫秒计进行计时，避免人为造成的误差，大大提高了实验的精确度。

附图说明

图1为本发明的黏滞系数测试仪的结构示意图。

图2为本发明的恒温控制水箱的结构示意图。

图3为本发明的恒温控制水箱的后面板的结构示意图。

图4为本发明的光电门控制电路的电路图。

具体实施方式

如图1-4所示，一种高精度变温式液体黏滞系数测量仪，包括有黏滞系数测试仪、恒温控制水箱19、光电门控制电路；

黏滞系数测试仪包括有测试仪底座3，测试仪底座3内安装有相互连接的直流稳压模块29、光电门控制电路，测试仪底座3上端面上设有电源开关1、带有保险丝的电源底座2、数显计时器6，带有保险丝的电源底座2与直流稳压模块29连接，测试仪底座3的中部设有盛放待测液体的容器14、水准仪5，容器14的上、下端的侧壁上分别设有进水口15、出水口16，容器14顶部的塞子上向容器内插设有感温探头17，容器14顶部的塞子圆心处开有一个圆孔18；位于容器14的两侧的测试仪底座3上分别安装标有毫米刻度的支架8，两支架8上均设有用于光电门一、二上下移动的轨道，两支架8上分别设有光电门一、二的发射端9、12和光电门一、二的接收端11、13，光电门一、二的发射端9、12、接收端11、13处分别通过一个50分度的游标尺10安装在对应支架8上；所述的光电门控制电路包括有CD4011芯片30，直流稳压模块29的电压输入端连接220V变6V的变压器31，直流稳压模块29的电压输出端并联光电门一32、光电门二33，光电门32、33以及数显计时器6分别与CD4011芯片30连接；所述的恒温控制水箱19上设有加水口20，恒温控制水箱19的前面板上设有水位表21、两个接线柱22、温控开关23，恒温控制水箱19的后面板上设有出水口25、进水口26、溢水口27、带保险丝的电源底座24、散热风扇28，恒温控制水箱19内设有大功率稳压电源、主控制器、加热片、制冷片，主控制器的信号输入端通过两个接线柱22与感温探头17连接，主控制器的信号输出端控制连接大功率稳压电源，大功率稳压电源与加热片、制冷片连接，所述的容器14的进水口15、出水口16与恒温控制水箱19的出水口25、进水口26连接。

数显计时器6上设有计时器复位键7。

容器14与恒温水箱19之间的管道上设有水泵，形成循环水路。

测试仪底座3的背面采用可拆卸的面板，测试仪底座3的下端面上设有四个调整螺钉4，调节四个调整螺钉4使测试仪处于铅直状态。

数显计时器6的测量时间范围0.001s～99.999s，使用光电门一触发计时器开始计时，光电门二触发计时器暂停计时，数显计时器显示的时间为小刚球经过两个光电门的时间间隔。

光电门一、二的发射端9、12的发射光为红色可见激光，发射光孔径为0.9mm，光孔圆心与50分度的游标尺零刻度对齐。

光电门一、二的接收端11、13为NPN常开型，接收端中心点与50分度的游标尺零刻度对齐，并在接收端安装了LED灯34和蜂鸣器35，LED灯34和蜂鸣器35与CD4011芯片30连接；当激光对射接收端时，LED灯34亮，当接收端被遮光时，LED灯34灭，蜂鸣器35鸣叫。

盛放待测液体的容器14为双层透光玻璃材质容器。

圆孔18直径为2.2mm，用于使直径为2mm左右的小钢球在容器中待测液体的中心处落下。

对于本发明的各器件分别作出如下进一步解释：

测试仪装置图(图1)

1、电源开关，控制粘滞系数测试仪电源的通断。

2、带有保险丝的电源底座，直接插上220V左右市电，经过直流稳压模块输出5V直流稳压电源，给测试仪供电。

3、测试仪底座，底座台面由金属材质制作，台面下面安装直流稳压模块、光电门控制电路等电路(图4)，底座背面使用可拆卸的面板。

4、调整螺钉，调节四个螺钉使测试仪处于铅直状态。

5、水准仪。

6、数显毫秒计时器，测量时间范围0.001s～99.999s，使用光电门一触发计时器开始计时，光电门二触发计时器暂停计时，计时器显示的时间为小刚球经过两个光电门的时间间隔。

7、计时器复位键，将记录的时间清零，重新记录时间数值。

8、标有毫米刻度的支架，支架设有轨道，方便光电门上下移动。

9、光电门一的发射端，发射端为红色可见激光，激光对射性能稳定、响应速度快、抗冲击、耐振动、干扰小等优点。发射光孔径为0.9mm，光孔圆心与50分度的游标零刻度对齐，并固定在游标尺上。

10、50分度的游标尺，调节螺母使游标尺在支架轨道中上下移动。

11、光电门一的接收端，接收端为NPN常开型，接收端中心点与游标尺零刻度对齐，在接收端安装了LED灯和蜂鸣器，当激光对射接收端时，LED灯亮，当小钢球经过光电门时，接收端被遮光时，LED灯灭，蜂鸣器“嘀”一声鸣叫。

12、光电门二的发射端，与光电门一配置相同。

13、光电门二的接收端，与光电门一配置相同。

14、盛放待测液体的容器，双层透光玻璃材质容器。

15、进水口，待测液体进行加热或制冷控温，通过对双层容器夹层中的水进行控温，达到液体温度平衡，与水箱的出水口25连接。

16、出水口，与水箱的进水口26连接。

17、感温探头，放置在装水容器中进行感温，通过NTC温度传感器，把温度升、降转化为电信号通、断的装置，实现待测液体精准控温。

18、圆孔，容器塞子圆心处设有2.2mm圆孔，使直径为2mm左右小刚球在待测液体的中心处落下。

恒温控制水箱(图2)

19、恒温控制水箱，箱体由大功率稳压电源、加热片、制冷片，水泵、水箱、温控体统等组成，实现对液体进行制热和制冷。

20、加水口，需要实验时，通过加水口注入实验用水。

21、水位表，在箱体前端安装水位表，且设有最低水位和最高水位告警灯

22、预留的两个接线柱，为了连接NTC温度传感器。

23、温控开关，主要由液晶显示屏和按键组成，显示屏幕上，显示当前室温和设置温度，按键为：“设置”、“←”、“→”、“▲”、“▼”

按“设置”键，设置的温度的数字开始闪动，按“←”、“→”移动设置的温度数值的位置，再按“▲”、“▼”设置温度的大小，通过温控系统判断，当“设置温度<当前温度”，启动制冷片工作，直到“设置温度＝当前温度”制冷片停止工作，当“设置温度>当前温度”，启动加热片工作，直到“设置温度＝当前温度”加热片停止工作，如此重复上述过程。待测液体的温度始终保持在给定温度附近的一个小范围内，基本上达到恒温自动控制的目的。

箱体的后面板(图3)

24、带保险丝电源底座，直接插上220V左右市电，给实验箱供电。

25、出水口，与容器的进水口15连接。

26、进水口，与容器的出水口16连接。

27、溢水口，当通过加水口对容器加水，当超过最高水位线，水自动通过溢水口溢出。

28、散热风扇，当制冷片工作时，风扇向箱体外进行散热。

本发明的工作原理：

研究用落球法测液体的黏度实验装置，使用温度传感器开关控制加热或制冷装置工作，达到待测液体精确控温。使用50分度值的游标卡尺测量小球匀速下落的路程，使用光电门测小球下落的时间，较传统实验方法，测量误差大大降低。在传统的黏度测试装置，进行不同温度的黏度系数测量时，只限于对液体在室温的状态下，进行加温，无法进行研究低于室温液体粘滞系数的测量。此装置使用多个制冷片对待测液体进行制冷，研究不同温度的黏滞系数。

半径为r的光滑球形固体，在密度为ρ₀粘滞系数为η且液面为无限宽广的粘滞流体中以速度V运动时，若速度不大、球较小、液体中不产生涡流，则小球受到的粘滞力为

F＝6πηrV

实验时使小球在有限的圆形油筒中下落，液体不是无限宽广的，考虑到圆筒器壁的影响，应对斯托克斯公式加以修正，

$\mathrm{\&eta;}=\frac{1}{18}\frac{(\mathrm{\&rho;}-{\mathrm{\&rho;}}_0){\mathrm{gd}}^2}{V(1+2.4\frac{d}{D})}$

在用落球法测定液体粘滞系数时，ρ，ρ₀，g为定值，η的精确度，由d，D，V测量的精度决定的，传统的实验测量方法，d测量使用千分尺，D测量使用游标卡尺，但V测量使用米尺测小刚球运行路程，人为按动秒表计时，引入了系统误差和偶然误差较大，此实验装置，使用50分度值的游标卡尺测量小球运行时间，使用光电门触发毫秒计进行计时，避免人为造成的误差，大大提高了实验的精确度。

Claims (9)

1.一种高精度变温式液体黏滞系数测量仪，其特征在于：包括有黏滞系数测试仪、恒温控制水箱、光电门控制电路；所述的黏滞系数测试仪包括有测试仪底座，测试仪底座内安装有相互连接的直流稳压模块、光电门控制电路，测试仪底座上端面上设有电源开关、带有保险丝的电源底座一、数显计时器，带有保险丝的电源底座一与直流稳压模块连接，测试仪底座的中部设有盛放待测液体的容器、水准仪，容器的上、下端的侧壁上分别设有进水口、出水口，容器顶部的塞子上向容器内插设有感温探头，容器顶部的塞子圆心处开有一个圆孔；位于容器的两侧的测试仪底座上分别安装标有毫米刻度的支架，两支架上均设有用于光电门一、二上下移动的轨道，两支架上分别设有光电门一、二的发射端和光电门一、二的接收端，光电门一、二的发射端、接收端处分别通过一个50分度的游标尺安装在对应支架上；所述的光电门控制电路包括有CD4011芯片，直流稳压模块的电压输入端连接220V变6V的变压器，直流稳压模块的电压输出端并联光电门一、光电门二，光电门一、二以及数显计时器分别与CD4011芯片连接；所述的恒温控制水箱上设有加水口，恒温控制水箱的前面板上设有水位表、两个接线柱、温控开关，恒温控制水箱的后面板上设有出水口、进水口、溢水口、带保险丝的电源底座二、散热风扇，恒温控制水箱内设有大功率稳压电源、主控制器、加热片、制冷片，主控制器的信号输入端通过两个接线柱与感温探头连接，主控制器的信号输出端控制连接大功率稳压电源，大功率稳压电源与加热片、制冷片连接，所述的容器的进水口、出水口与恒温控制水箱的出水口、进水口连接。

2.根据权利要求1所述的一种高精度变温式液体黏滞系数测量仪，其特征在于：所述的数显计时器上设有计时器复位键。

3.根据权利要求1所述的一种高精度变温式液体黏滞系数测量仪，其特征在于：所述的容器与恒温水箱之间的管道上设有水泵，形成循环水路。

4.根据权利要求1所述的一种高精度变温式液体黏滞系数测量仪，其特征在于：所述的测试仪底座的背面采用可拆卸的面板，测试仪底座的下端面上设有四个调整螺钉。

5.根据权利要求1所述的一种高精度变温式液体黏滞系数测量仪，其特征在于：所述的数显计时器的测量时间范围0.001s～99.999s，使用光电门一触发计时器开始计时，光电门二触发计时器暂停计时，数显计时器显示的时间为小刚球经过两个光电门的时间间隔。

6.根据权利要求1所述的一种高精度变温式液体黏滞系数测量仪，其特征在于：所述的光电门一、二的发射端的发射光为红色可见激光，发射光孔径为0.9mm，光孔圆心与50分度的游标尺零刻度对齐。

7.根据权利要求1所述的一种高精度变温式液体黏滞系数测量仪，其特征在于：所述的光电门一、二的接收端为NPN常开型，接收端中心点与50分度的游标尺零刻度对齐，并在接收端安装了LED灯和蜂鸣器，LED灯和蜂鸣器与CD4011芯片连接；当激光对射接收端时，LED灯亮，当接收端被遮光时，LED灯灭，蜂鸣器鸣叫。

8.根据权利要求1所述的一种高精度变温式液体黏滞系数测量仪，其特征在于：所述的盛放待测液体的容器为双层透光玻璃材质容器。

9.根据权利要求1所述的一种高精度变温式液体黏滞系数测量仪，其特征在于：所述的圆孔直径为2.2mm，用于使直径为2mm左右的小钢球在容器中待测液体的中心处落下。