CN107192639B - 一种连续可变内径单管落球测量的粘滞系数测量装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连续可变内径单管落球测量的粘滞系数测量装置及其方法，包括筒壁(1)，筒壁(1)上设有紧箍带(2)，筒壁(1)底部设有橡胶套(3)；所述筒壁(1)为卷制的矩形塑料片，筒壁(1)卷制重合处形成内层(13)和外层(14)，内层(13)上设有一组直角梯形状内突起(15)，外层(14)上设有一组与内突起(15)等大反向的外突起(16)；所述筒壁(1)上设有圆周刻度(11)和高度刻度(12)。本发明装置具有占用空间小、成本低和数据采集丰富特点。采用本发明装置的测量方法测量效率高，测量也更加精确。

Description

一种连续可变内径单管落球测量的粘滞系数测量装置及其 方法

技术领域

本发明涉及一种粘滞系数测量装置及其方法，特别是一种连续可变内径单管落球测量的粘滞系数测量装置及其方法。

背景技术

粘滞性是流体特有的物理性质，粘滞系数是流体层流间的重要力学参数，与流流体的性质、温度和流速有关。当液体流动时，平行于流动方向的各层流体速度都不相同，于是在各层之间就有摩擦力产生，这一摩擦力称为粘滞力，它的方向平行于接触面，其大小与速度梯度及接触面积成正比，比例系数η称为粘度，它是表征液体粘滞性强弱的重要参数。

液体的粘滞性的测量不仅有其物理意义，而且在物理学、化学化工、生物工程、医疗、航空航天、水利、机械润滑和液压传动等领域有广泛的应用。

现有的测量液体粘度方法主要包括：泊肃叶法、转筒法、阻尼法和落球法。落球测量法多指多管落球法，是将一组不同直径的管子安装在同一水平底板上,每个管子上均设有距离为某一定值的两跟刻度线，管子内装有同种待测液体并且液体没过上刻线适当距离。通过测量小球下落经过不同管子刻线所需时间，反推出理论上小球在无限广阔的液体中经过相同距离所需时间，求得收尾速度，进而计算粘滞系数。

由以上内容可知，现有的落球测量装置需要多个实验管，占用空间大，并且较大直径的实验管需要定做，成本更高。然而由于实验管为固定直径，可以采集的数据仍然有限。

在采用普通测量装置的测量方法中，每测一次数据便要更换一个实验筒，因此这种方法比较耗时，效率较低。由于普通装置的实验筒数量较少，可以测得的实验数据也较少，导致实验结果不精确。

因此，找到一种低成本、占用空间小和数据采集丰富的测量方式是目前本领域技术人员急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种连续可变内径单管落球测量的粘滞系数测量装置及其方法。本发明装置具有占用空间小、成本低和数据采集丰富特点。采用本发明装置的测量方法测量效率高，测量也更加精确。

本发明的技术方案：一种连续可变内径单管落球测量的粘滞系数测量装置，包括筒壁，筒壁上设有紧箍带，筒壁底部设有橡胶套；所述筒壁为卷制的矩形塑料片，筒壁卷制重合处形成内层和外层，内层上设有一组直角梯形状内突起，外层上设有一组与内突起等大反向的外突起；所述筒壁上设有圆周刻度和高度刻度。

前述的连续可变内径单管落球测量的粘滞系数测量装置，所述内突起的斜边角度为30度。

前述的连续可变内径单管落球测量的粘滞系数测量装置的测量方法，包括以下步骤：

1)在内径为D的单管内倒入液体，液体没过距离为S的两条刻线中的上刻线；

2)使直径为d的小球在上述单管内的液体中自由下落，记录小球经过两条刻线所用时间t；

3)连接改变单管内径D，倒入或吸出液体使其始终没过所述上刻线，并重复步骤2，记录相关数据；

4)以t为纵坐标，d/D为横坐标拟出直线，画出该直线与纵轴交点，求得t₀；

5)根据公式求得首尾速度v₀，又根据公式已知小球密度ρ，液体密度ρ₀，小球直径d，求得液体粘滞系数η。

与现有技术相比，本发明只包含一个圆筒，圆筒是卷制的矩形塑料片，圆筒外壁设有圆周刻度，用以确定圆筒直径。筒壁卷制重合处形成内层和外层，内层上设有一组直角梯形状内突起，外层上设有一组与内突起等大反向的外突起。所述内突起和外突起相互卡住形成的作用有三：一、确定圆筒的直径；二、保持圆筒的同轴度；三、防止圆筒渗漏液体。本发明的橡胶套随可适应圆筒的直径变化，始终紧箍住圆筒的下端部，除了防止液体渗漏外还可以配合紧箍带保持圆筒的形状和直径。在本发明中，每改变一次突起配合位置，便可以测得一组实验数据。因此，本发明装置具有占用空间小、成本低和数据采集丰富特点。

采用本发明装置的测量方法，省去了普通测量方法中多次更换实验筒的时间，并且测得的数据也远多于普通实验方法，计算结果更加精确。因此，采用本发明装置的测量方法测量效率高，测量也更加精确。附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是圆筒的截面图；

图3是测量方法所用数据图。

附图中的标记为：1-筒壁，2-紧箍带，3橡胶套，11-圆周刻度，12-高度刻度，13-内层，14-外层，15-内突起，16-外突起。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

实施例：一种连续可变内径单管落球测量的粘滞系数测量装置，构成如图1所示，包括筒壁1，筒壁1上设有紧箍带2，筒壁1底部设有橡胶套3；所述筒壁1为卷制的矩形塑料片，如图2所示，筒壁1卷制重合处形成内层13和外层14，内层13上设有一组直角梯形状内突起15，外层14上设有一组与内突起15等大反向的外突起16；所述筒壁1上设有圆周刻度11和高度刻度12。

所述内突起15直角侧向内，斜边角度为30度。

所述紧箍带2可以采用滚珠锁紧不锈钢扎带。

根据权利要求1或2所述的连续可变内径单管落球测量的粘滞系数测量装置的测量方法，包括以下步骤：

1)在内径为D的单管内倒入液体，液体没过距离为S的两条刻线中的上刻线；

2)使直径为d的小球在上述单管内的液体中自由下落，记录小球经过两条刻线所用时间t；

3)连接改变单管内径D，倒入或吸出液体使其始终没过所述上刻线，并重复步骤2，记录相关数据；

4)以t为纵坐标，d/D为横坐标拟出直线，画出该直线与纵轴交点，求得t₀；

5)根据公式求得首尾速度v₀，又根据公式已知小球密度ρ，液体密度ρ₀，小球直径d，求得液体粘滞系数η。

工作原理：落球法测定液体的粘滞系数是以斯托克斯命名的定律和方法设计的实验，实验方法简单、直观，物理思想清晰明了，对实际实验结果处理上应用了合理的数学修正和推理。

小球在液体中下落时的速度很小，球半径也很小，且液体可以看成在各个方向上都是无限广阔的则有斯托克斯公式：

f＝3πηvd

其中η为粘滞系数，d为小球的直径，v是小球的运动速度，密度为的ρ小球在液体中受到三个力作用：重力G＝mg、浮力F＝ρgV(V是小球体积，ρ₀是液体密度)和粘滞阻力f，三力在同一方向上，重力向下，浮力和粘滞阻力向上，开始时重力大于其他两力之和，小球做加速运动，但加速时间极短，最后达到收尾速度v₀，小球匀速下落，此时有：

则得到满足斯托克斯定律条件的粘滞系数表达式：

上式成立的条件是小球在无限宽广的均匀液体中下落实验，实际实验中，待测液体必须盛于容器中，故不能满足无限深广的条件。

由于容器直径D值对实验结果误差的影响最大，因此采用外推作图法来求v₀，如图3所示。用连续可变直径的圆筒，分别测量小球通过相同距离s所需的时间t值，得到收尾速度v，再用线性回归法推出小球在无限广阔的液体中运动的收尾速度v₀。至此，上述粘滞系数所有参数已知，可以求出待测液体的粘滞系数。

技术方案：本发明的筒壁1为卷制的矩形塑料片，筒壁1卷制重合处形成内层13和外层14，内层13上设有一组直角梯形状内突起15，外层14上设有一组与内突起15等大反向的外突起16。实际使用时，在紧箍带2拉紧后，每个内突起15的直角侧和外突起16的直角侧相互接触，两者卡位使内层13和外层14不会相互滑动，由此确定圆筒形状，保证数据的准确性，而后根据圆周刻度11读出圆筒直径。内外突起都是一组多个设置，两两卡位后可以有效减少内层13与外层14之间的缝隙，减少液体渗漏。因此内突起和外突起相互作用达到的效果有三：一、确定圆筒的直径；二、保持圆筒的同轴度；三、防止圆筒渗漏液体。本发明的橡胶套随可适应圆筒的直径变化，始终紧箍住圆筒的下端部，除了防止液体渗漏外还可以配合紧箍带保持圆筒的形状和直径。

需要改变圆筒半径时，先需松开紧箍带2，外层14向外滑动一格，再重新拉紧紧箍带2使内突起15与外突起16配合紧密。

Claims (3)

1.一种连续可变内径单管落球测量的粘滞系数测量装置，其特征在于：包括筒壁(1)，筒壁(1)上设有紧箍带(2)，筒壁(1)底部设有橡胶套(3)；所述筒壁(1)为卷制的矩形塑料片，筒壁(1)卷制重合处形成内层(13)和外层(14)，内层(13)上设有一组直角梯形状内突起(15)，外层(14)上设有一组与内突起(15)等大反向的外突起(16)；所述筒壁(1)上设有圆周刻度(11)和高度刻度(12)。

2.根据权利要求1所述的连续可变内径单管落球测量的粘滞系数测量装置，其特征在于：所述内突起(15)的斜边角度为30度。

3.根据权利要求1或2所述的连续可变内径单管落球测量的粘滞系数测量装置的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)在内径为D的单管内倒入液体，液体没过距离为S的两条刻线中的上刻线；

2)使直径为d的小球在上述单管内的液体中自由下落，记录小球经过两条刻线所用时间t；

3)连接改变单管内径D，倒入或吸出液体使其始终没过所述上刻线，并重复步骤2，记录相关数据；

4)以t为纵坐标，d/D为横坐标拟出直线，画出该直线与纵轴交点，求得t₀；

5)根据公式求得首尾速度v₀，又根据公式已知小球密度ρ，液体密度ρ₀，小球直径d，求得液体粘滞系数η。