CN113884409A - 一种液体粘滞系数测定系统及测定方法 - Google Patents

一种液体粘滞系数测定系统及测定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种液体粘滞系数测定系统，包括双层实验桶、圆环隔板、刻度尺、马达、扭力表、弹簧和温度测量装置，双层实验桶包括外筒和内筒，外筒和内筒之间设置粘滞性液体；圆环隔板设置在于双层实验桶的外筒和内筒之间，用于封闭外筒和内筒之间的粘滞性液体；刻度尺竖直设置在双层实验桶外侧壁上，用于测量外筒和内筒之间粘滞性液体的高度；马达设置于双层实验桶底部，用于控制外桶旋转；双层实验桶通过弹簧固定在固定架上，扭力表设置于弹簧底部，用于测量弹簧的扭力；温度测量装置用于测量和控制外筒和内筒之间的粘滞性液体的温度，并测定不同温度下的液体粘滞系数。本发明提高了整体实验的适用性，实现了装置的多用途改造。

Description

一种液体粘滞系数测定系统及测定方法
技术领域
本发明涉及液体粘滞系数测定技术，具体涉及一种液体粘滞系数测定系统及测定方法。
背景技术
液体的粘滞系数又称为内摩擦系数或粘度，是描述液体内摩擦力性质的一个重要物理量，它表征液体反抗形变的能力，只有在液体内存在相对运动时才表现出来。测量粘滞系数在工业生产、科学研究和国防建设等领域中具有重要意义。粘滞系数的测量方法很多，有落球法、落针法、毛细管法、转管法等，但这些测量方法在实验过程当中没有考虑液体粘滞系数随压强以及温度变化所带来的影响。
发明内容
发明目的：本发明的一个目的是提供一种液体粘滞系数测定系统，另一个目的是提供一种液体粘滞系数测定方法。改进的液体粘滞系数测定方法可以不仅可以正常测量出液体的粘滞系数，还可以充分考虑液体压强变化和液体温度变化对液体粘滞系数改变带来的影响。
技术方案：本发明的一种液体粘滞系数测定系统，包括双层实验桶、圆环隔板、刻度尺、马达、扭力表、弹簧和温度测量装置，双层实验桶包括外筒和内筒，外筒和内筒之间设置粘滞性液体；圆环隔板设置在于双层实验桶的外筒和内筒之间，用于封闭外筒和内筒之间的粘滞性液体；刻度尺竖直设置在双层实验桶外侧壁上，用于测量外筒和内筒之间粘滞性液体的高度；马达设置于双层实验桶底部，用于控制外桶旋转；双层实验桶通过弹簧固定在固定架上，扭力表设置于弹簧底部，用于测量弹簧的扭力；温度测量装置用于测量和控制外筒和内筒之间的粘滞性液体的温度，并测定不同温度下的液体粘滞系数。
优选的，温度测量装置包括温度传感器、温度记录仪、温度控制仪、加热仪表、制冷仪表和计算机，其中，温度控制仪设定目标温度，温度传感器将测量的外筒和内筒之间粘滞性液体的温度信号实时传送至温度记录仪进行实时显示和记录，温度记录仪将收到的温度信号再实时反馈到温度控制仪上，同时温度记录仪还将温度信号输出至计算机，温度控制仪通过加热仪表或制冷仪表自动将外筒和内筒之间粘滞性液体的温度调节至设定的目标温度。
有选的，当温度记录仪输出的温度值高于预设温度值时，温度控制仪输出与制冷仪表的输入连接，并控制制冷仪表制冷外筒和内筒之间粘滞性液体的温度，直至温度达到预设温度值；当温度记录仪输出的温度值低于预设温度值时，温度控制仪输出与加热仪表的输入连接，并控制加热仪表加热外筒和内筒之间粘滞性液体的温度，直至温度达到预设温度值；当温度记录仪输出的温度值等于预设温度值时，加热仪表和制冷仪表均不工作。
另一实施例中，一种基于所述液体粘滞系数测定系统的液体粘滞系数测定方法，包括以下步骤：
S1、测定液体粘滞系数随压强变化；
S2、测定液体粘滞性系数随温度变化。
进一步的，步骤S1包括以下步骤：
S11、向外筒和内筒之间注入少量粘滞性液体，随后将圆环隔板覆盖在液体表面，利用刻度尺读出液面距离外筒底面距离h；
S12、随后打开马达带动外筒开始转动，待示数稳定后读出扭力表上的扭力F1，记录实验数据；
S13、改变粘滞性液体液面高度h，重复步骤S1-S2共N1次；
S14、将实验数据代入液体粘滞性系数计算公式，计算得出液体粘滞性系数与液体压强的变化关系曲线。
更进一步的，步骤S14中液体粘滞性系数计算方法为：
设双层实验桶的内半径为r，双层桶间距离为δ，马达转速为ω，扭力表读数为F1；
由于液体压强随深度增加呈正比例增大，根据三角形公式，取三角形形心处的相对压强为准，即：
Figure BDA0003221399160000021
其中，ρ为液体密度，g为重力加速度；
内摩擦力与流层间接触的面积为：
A＝2π(r+δ)h；
流层移动速度u与马达转速ω之间的关系为：
Figure BDA0003221399160000031
将以上各式代入牛顿内摩擦定律公式
Figure BDA0003221399160000032
可得：
Figure BDA0003221399160000033
进一步的，步骤S2包括以下步骤：
S21、保持粘滞性液体液面高度h不变，给外筒和内筒之间的粘滞性液体设定目标温度T1，打开马达带动外筒开始转动，待示数稳定后读出扭力表上的扭力F2，记录实验数据；
S22、改变目标温度，重复步骤S5共N2次；
S23、将实验数据代入公式
Figure BDA0003221399160000034
其中r为双层实验桶(1)的内半径，δ为双层桶间距离，ω为马达(4)转速，计算得出液体粘滞性系数μ，以横坐标轴为温度，纵坐标轴为液体粘滞性系数，画出液体粘滞性系数随液体温度的变化关系曲线。
有益效果：与现有技术相比，本发明本发明具有结构简单、可反复使用、成本少、提高整体实验的适用性，实现装置的多用途改造的特点。本发明改进的液体粘滞系数测定方法可以广泛应用于各类流体力学实验，使液体粘滞系数测量方式更加直观精确，考虑了现有测量方式中无法考虑压强以及温度变化对液体粘滞性系数的影响，同时提高实验的精度，补充验证了液体温度变化对液体粘滞系数影响的规律，使学生实验更加直观。
附图说明
图1为改进的液体粘滞系数测定方法原理示意图；
图2为圆环隔板示意图，其中(a)为圆环隔板俯视图，(b)为圆环隔板剖视图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。且以下所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
如图1-2所示，一种液体粘滞系数测定系统，其特征在于，包括双层实验桶1、圆环隔板2、刻度尺3、马达4、扭力表5、弹簧6和温度测量装置，双层实验桶1包括外筒和内筒，外筒和内筒之间设置粘滞性液体；圆环隔板2设置在于双层实验桶的外筒和内筒之间，用于封闭外筒和内筒之间的粘滞性液体；刻度尺3竖直设置在双层实验桶1外侧壁上，用于测量外筒和内筒之间粘滞性液体的高度；马达4设置于双层实验桶底部，用于控制外桶旋转；双层实验桶通过弹簧6固定在固定架上，扭力表5设置于弹簧底部，用于测量弹簧的扭力；温度测量装置包括温度传感器7、温度记录仪8、温度控制仪9、加热仪表10、制冷仪表11和计算机12，温度控制仪9设定目标温度，温度传感器7将测量的外筒和内筒之间粘滞性液体的温度信号实时传送至温度记录仪8进行实时显示和记录，温度记录仪8将收到的温度信号再实时反馈到温度控制仪9上，同时温度记录仪8还将温度信号输出至计算机12，温度控制仪9通过加热仪表10或制冷仪表11自动将外筒和内筒之间粘滞性液体的温度调节至设定的目标温度；当温度记录仪8输出的温度值高于预设温度值时，温度控制仪9输出与制冷仪表11的输入连接，并控制制冷仪表制冷外筒和内筒之间粘滞性液体的温度，直至温度达到预设温度值；当温度记录仪8输出的温度值低于预设温度值时，温度控制仪9输出与加热仪表10的输入连接，并控制加热仪表10加热外筒和内筒之间粘滞性液体的温度，直至温度达到预设温度值；当温度记录仪8输出的温度值等于预设温度值时，加热仪表10和制冷仪表11均不工作。温度测量装置用于测量和控制外筒和内筒之间的粘滞性液体的温度，并测定不同温度下的液体粘滞系数。
本发明通过改变粘滞性液体的液面高度，用圆环隔板2对粘滞性液体加以封闭，测定出相应的液体粘滞性系数，进而得出同一液体在不同压强下的液体粘滞系数变化情况，提高了实验装置的适用能力。与此同时，本发明提供了一种温度控制方法，通过温度控制仪9设定目标温度，桶间液体的温度可通过温度传感器7将温度信号实时传送至温度记录仪8进行实时显示和记录，温度记录仪8将收到的温度信号再实时反馈到温度控制仪9上，当外在条件发生改变影响液体温度时，温度控制仪9会通过加热仪表10或制冷仪表11自动将温度调节至设定的目标温度。通过测定不同温度下的液体粘滞性系数进而得出同一液体在不同温度下的液体粘滞系数变化规律。综合上面的两个测定方法，即可得出液体粘滞系数随液体压强和液体温度的变化曲线。具体的：
一种基于所述液体粘滞系数测定系统的液体粘滞系数测定方法，包括以下步骤：
S1、测定液体粘滞系数随压强变化；
S11、向外筒和内筒之间注入少量粘滞性液体，随后将圆环隔板2覆盖在液体表面，利用刻度尺3读出液面距离外筒底面距离h；
S12、随后打开马达4带动外筒开始转动，待示数稳定后读出扭力表5上的扭力F1，记录实验数据；
S13、改变粘滞性液体液面高度h，重复步骤S1-S2共N1次；
S14、将实验数据代入液体粘滞性系数计算公式，计算得出液体粘滞性系数与液体压强的变化关系曲线；
液体粘滞性系数计算方法为：
设双层实验桶1的内半径为r，双层桶间距离为δ，马达4转速为ω，扭力表5读数为F1；
由于液体压强随深度增加呈正比例增大，根据三角形公式，取三角形形心处的相对压强为准，即：
Figure BDA0003221399160000051
其中，ρ为液体密度，g为重力加速度；
内摩擦力与流层间接触的面积为：
A＝2π(r+δ)h；
流层移动速度u与马达转速ω之间的关系为：
Figure BDA0003221399160000052
将以上各式代入牛顿内摩擦定律公式
Figure BDA0003221399160000053
可得：
Figure BDA0003221399160000054
S2、测定液体粘滞性系数随温度变化。
S21、保持粘滞性液体液面高度h不变，给外筒和内筒之间的粘滞性液体设定目标温度T1，打开马达(4)带动外筒开始转动，待示数稳定后读出扭力表(5)上的扭力F2，记录实验数据；
S22、改变目标温度，重复步骤S5共N2次；
S23、将实验数据代入公式
Figure BDA0003221399160000055
计算得出液体粘滞性系数μ，以横坐标轴为温度，纵坐标轴为液体粘滞性系数，画出液体粘滞性系数随液体温度的变化关系曲线。
本发明通过改变粘滞性液体的液面高度，用圆环隔板对粘滞性液体加以封闭，测定出相应的液体粘滞性系数，进而得出同一液体在不同压强下的液体粘滞系数变化情况，提高了实验装置的适用能力。与此同时，本发明通过温度控制仪设定目标温度，桶间液体的温度可通过温度传感器将温度信号实时传送至记录仪进行实时显示和记录，记录仪将收到的温度信号再实时反馈到温度控制仪上，当外在条件发生改变影响液体温度时，温度控制仪会通过加热仪表或制冷仪表自动将温度调节至原始设定值。通过测定不同温度下的液体粘滞性系数进而得出同一液体在不同温度下的液体粘滞系数变化规律。综合液体粘滞系数随压强变化的测定方法和液体粘滞性系数随温度变化的测定方法，即可得出液体粘滞系数随液体压强和液体温度的变化曲线。
本发明提高了整体实验的适用性，实现了装置的多用途改造；具有结构简单、可反复使用、成本少、提高整体实验的适用性，实现装置的多用途改造的特点。改进的液体粘滞系数测定方法可以广泛应用于各类流体力学实验，使液体粘滞系数测量方式更加直观精确，考虑了现有测量方式中无法考虑压强以及温度变化对液体粘滞性系数的影响，同时提高实验的精度，补充验证了液体温度变化对液体粘滞系数影响的规律，使学生实验更加直观。

Claims (7)

1.一种液体粘滞系数测定系统，其特征在于，包括双层实验桶(1)、圆环隔板(2)、刻度尺(3)、马达(4)、扭力表(5)、弹簧(6)和温度测量装置，双层实验桶(1)包括外筒和内筒，外筒和内筒之间设置粘滞性液体；圆环隔板(2)设置在于双层实验桶的外筒和内筒之间，用于封闭外筒和内筒之间的粘滞性液体；刻度尺(3)竖直设置在双层实验桶(1)外侧壁上，用于测量外筒和内筒之间粘滞性液体的高度；马达(4)设置于双层实验桶底部，用于控制外桶旋转；双层实验桶通过弹簧(6)固定在固定架上，扭力表(5)设置于弹簧底部，用于测量弹簧的扭力；温度测量装置用于测量和控制外筒和内筒之间的粘滞性液体的温度，并测定不同温度下的液体粘滞系数。
2.根据权利要求1所述的一种液体粘滞系数测定系统，其特征在于，温度测量装置包括温度传感器(7)、温度记录仪(8)、温度控制仪(9)、加热仪表(10)、制冷仪表(11)和计算机(12)，其中，温度控制仪(9)设定目标温度，温度传感器(7)将测量的外筒和内筒之间粘滞性液体的温度信号实时传送至温度记录仪(8)进行实时显示和记录，温度记录仪(8)将收到的温度信号再实时反馈到温度控制仪(9)上，同时温度记录仪(8)还将温度信号输出至计算机(12)，温度控制仪(9)通过加热仪表(10)或制冷仪表(11)自动将外筒和内筒之间粘滞性液体的温度调节至设定的目标温度。
3.根据权利要求2所述的一种液体粘滞系数测定系统，其特征在于，当温度记录仪(8)输出的温度值高于预设温度值时，温度控制仪(9)输出与制冷仪表(11)的输入连接，并控制制冷仪表制冷外筒和内筒之间粘滞性液体的温度，直至温度达到预设温度值；当温度记录仪(8)输出的温度值低于预设温度值时，温度控制仪(9)输出与加热仪表(10)的输入连接，并控制加热仪表(10)加热外筒和内筒之间粘滞性液体的温度，直至温度达到预设温度值；当温度记录仪(8)输出的温度值等于预设温度值时，加热仪表(10)和制冷仪表(11)均不工作。
4.一种基于权利要求1-3任一项所述液体粘滞系数测定系统的液体粘滞系数测定方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、测定液体粘滞系数随压强变化；
S2、测定液体粘滞性系数随温度变化。
5.根据权利要求4所述的一种液体粘滞系数测定方法，其特征在于，步骤S1包括以下步骤：
S11、向外筒和内筒之间注入少量粘滞性液体，随后将圆环隔板(2)覆盖在液体表面，利用刻度尺(3)读出液面距离外筒底面距离h；
S12、随后打开马达(4)带动外筒开始转动，待示数稳定后读出扭力表(5)上的扭力F1，记录实验数据；
S13、改变粘滞性液体液面高度h，重复步骤S1-S2共N1次；
S14、将实验数据代入液体粘滞性系数计算公式，计算得出液体粘滞性系数与液体压强的变化关系曲线。
6.根据权利要求5所述的一种液体粘滞系数测定方法，其特征在于，步骤S14中液体粘滞性系数计算方法为：
设双层实验桶(1)的内半径为r，双层桶间距离为δ，马达(4)转速为ω，扭力表(5)读数为F1；
由于液体压强随深度增加呈正比例增大，根据三角形公式，取三角形形心处的相对压强为准，即：
Figure FDA0003221399150000021
其中，ρ为液体密度，g为重力加速度；
内摩擦力与流层间接触的面积为：
A＝2π(r+δ)h；
流层移动速度u与马达转速ω之间的关系为：
Figure FDA0003221399150000022
将以上各式代入牛顿内摩擦定律公式
Figure FDA0003221399150000023
可得：
Figure FDA0003221399150000024
7.根据权利要求4所述的一种液体粘滞系数测定方法，其特征在于，步骤S2包括以下步骤：
S21、保持粘滞性液体液面高度h不变，给外筒和内筒之间的粘滞性液体设定目标温度T1，打开马达(4)带动外筒开始转动，待示数稳定后读出扭力表(5)上的扭力F2，记录实验数据；
S22、改变目标温度，重复步骤S5共N2次；
S23、将实验数据代入公式
Figure FDA0003221399150000025
其中，r为双层实验桶(1)的内半径，δ为双层桶间距离，ω为马达(4)转速，计算得出液体粘滞性系数μ，以横坐标轴为温度，纵坐标轴为液体粘滞性系数，画出液体粘滞性系数随液体温度的变化关系曲线。
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