CN114295518B - 一种粘滞系数综合测量平台及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种粘滞系数综合测量平台及测量方法，涉及粘滞系数测量技术领域，包括用于支撑固定所述测量平台的框架结构、用于装载液体的装载结构、用于进行落针或落球动作的转换释放结构和用于回收落针或磁球，并通过落球法、落针法、流量法、毛细管法分别实现待测液体粘滞系数的测量拟合。本发明的实现了液体粘滞系数同平台的多种测量方式的不等精度测量，在直观体现流体粘滞现象的同时，完成环境条件和透明及非透明液体粘滞系数的自动化测量，为流体粘滞特性及其影响因素的研究提供硬件基础；同时实现粘滞系数的自动连续测量，大大提高了实验中获得的测量数据的数量，有利于实验结果准确性的提高。

Description

一种粘滞系数综合测量平台及测量方法

技术领域

本发明涉及液体粘滞系数测量技术领域，具体涉及一种用于测量液体粘滞系数的综合测量平台以及使用该测量平台进行液体粘滞系数测量的测量方法。

背景技术

当液体内各部分之间有相对运动时，由范德华力、氢键作用力等产生的接触面间内摩擦力为粘滞力。粘滞力会阻碍液体流动趋势，它的大小与接触面面积以及接触面处的速度梯度成正比，该比例系数即为粘滞系数。工业生产领域中，润滑油粘滞系数影响机械传动的效率；医疗卫生领域中，患者血液粘滞系数为医生提供了有价值的诊断数据；食品科学领域中，高纯糖浆的粘滞系数反映了产品的质量高低。因此，粘滞系数的精确测量在众多领域中都有着极为重要的意义，具有广泛的应用价值。

现有技术中，液体粘滞系数的测量方法主要包括落球法、毛细管法和转筒法等。实际研究中，采用多种方法对同一物理量测量属于不等精度测量，根据测量方法的精度，分配其大小不同的权值，可以求得其加权算术平均值，标准差以及极限误差等，也可建立基于多种测量方法的不等精度线性回归模型，由于各测量方法独立，误差分布符合正态分布，随着不同测量方法测量次数的增加，其加权平均值接近数学期望值，能够获得更准确的研究结果。同时，对同一物理量采用不同方法进行实验，能够在实验过程中观察到截然不同的实验现象，如磁球下落时会由于液体不是无限广阔而出现涡旋等现象，落针下落时受到上下粘性压差阻力以及在落针与筒壁间存在附着层等现象，流量法和毛细管法中不可压缩粘性液体基于泊肃叶定律在毛细管中定常流动的现象，有利于实验教学中的粘滞系数测量与实验现象观察探究，实现不同测量方法之间的对比和观测，帮助学生理解实验基本原理，以及相应物理量测量的对应关系，具有优秀的教学意义。现有的液体滞系数测量装置和仪器虽已经发展的较为成熟，但不同测量方法之间的对比、观测和理解仍较困难。此外，现有技术中采用落球法进行液体粘滞系数测量时，测量使用的落针或落球需要以一个末端带有磁性的棒状工具由深容器中吸附回收，回收操作较为复杂不便，且回收过程中该工具会粘附大量液体，造成待测液体的不合理损耗，如待测液体为甘油酒精等易燃液，还存在起火的安全隐患。

通过现有技术检索，存在以下已知的技术方案：

现有技术1：

申请号：CN201611011096.7，申请日：2016.11.17，公开(公告)日：2017.04.26，该现有技术涉及一种三维激光定位调温液体粘滞系数测量仪，属液体粘滞系数测量技术领域，包括量筒、第一激光发射器、第二激光发射器、第三激光发射器、第四激光发射器、第一激光接受器、第二激光接受器、第三激光接受器、第四激光接收器、底座、控温带、控温电路、竖直杆、横梁、钢珠、钢珠释放装置、数字毫秒计、温控器；所有激光发射器和激光接受器密封设置在量筒侧壁开设的通孔中，每组激光发生器和接收器之间没有量筒阻隔，激光直接通过待测液体，避免了激光多次折射后还需再次调整接受器位置的繁琐操作，提高了测量精度和效率。

但该现有技术采用落球法测量粘滞系数，装置没有设计合适的回收机构，落球下落到容器底部后难以取出，存在回收困难、待测液体损失、安全隐患等不足。

现有技术2：

申请号：CN202110155747.4，申请日：2021.02.04，公开(公告)日：2021.05.25，该现有技术公开了一种液体粘滞系数测量仪及测量方法，包括水平调节底座、支撑杆、落球固定装置、激光光电门计时器、铅锤定位器、落球定位器、圆球体和圆筒，水平调节底座上设有安装孔，支撑杆设置在安装孔中，落球固定装置和支撑杆配合，铅锤定位器和落球定位器均与落球固定装置配合，圆球体和落球定位器配合，激光光电门计时器和支撑杆配合，圆筒和激光光电门计时器配合；落球固定装置包括固定杆、第一固定环和圆环，圆环设置在固定杆的一端，圆环和落球定位器、铅锤定位器配合，第一固定环设置在固定杆的另一端，第一固定环套在支撑杆上并和支撑杆滑动配合。

但该现有技术中采用激光光电门探测计时，存在无法测量石油等非透明液体粘滞系数的不足。当采用落球法或落针法测量液体粘滞系数时，无论使用激光发射接收器或肉眼观察计时都无法实现非透明液体条件下的测量。

现有技术3：

申请号：CN201821419503.2，申请日：2018.08.30，公开(公告)日：2019.06.04，该现有技术属于粘度测量技术领域。流体源通过导管与毛细管连通，导管上安装有调节阀和微流量计，调节阀设置在流体源和微流量计之间，毛细管两端并接有微差压表。本发明是依据泊肃叶公式导出的粘度表达式而设计的测量仪表，主要用于流体(特别是气体)粘度的测量，采用毛细管、微流量计和微差压表测量流体的粘度，结构简单、成本低廉、使用方便、易于普及且测量精确度高，用其测量气体的粘度时，解决了现有气体粘度计价格昂贵，不易普及的问题。

但该现有技术中使用流量计和压差表测量流体粘滞系数，两种传感器的测量误差均会影响测量值，两传感器的测量数值均需测量者手工记录，难以在同一时刻记录两者数据，存在系统误差，且不利于自动化。

通过以上的检索发现，以上技术方案没有影响本发明的新颖性；并且以上现有技术的相互组合没有破坏本发明的创造性。

发明内容

本发明正是为了避免上述现有技术所存在的不足之处，提供了一种粘滞系数综合测量平台及测量方法。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：一种粘滞系数综合测量平台，包括用于支撑固定所述测量平台的框架结构、用于装载液体的装载结构、用于进行落针或落球动作的转换释放结构和用于回收落针或磁球；所述框架结构包括呈框状的框架和安装固定于所述框架底部的底板，所述落针内的顶端和底端各设有一个落针小磁铁；

所述装载结构包括通过压力传感器底座安装至所述底板上的压力传感器、安装于筒底座上的容器筒、前端与所述容器筒连通的装载管道、安装于所述装载管道末端的装载阀以及安装于所述底板上的液体收集容器，所述筒底座安装至所述压力传感器上，所述装载管道末端连通至所述液体收集容器上方，且由所述装载阀控制通断；

所述转换释放结构包括通过转换底座转动安装至所述框架顶部转换器、前端安装连接至所述转换器输出端的两根转换臂、分别连接至两根所述转换臂末端的落针盒体和落球盒体以及分别安装连接至所述落针盒体和所述落球盒体底部的落针释放支撑块和落球释放支撑块，所述转换器的输入端与舵机连接，所述落针盒体和所述落球盒体均可在所述转换器的驱动下转动至所述容器筒的正上方；所述落针释放支撑块底部为上大下小的锥形结构的落针槽，所述落针在所述落针盒体内电磁铁的磁力作用下限位于所述落针槽内；所述落球释放支撑块底部设有球面凹槽，所述磁球在所述落球盒体内电磁铁的磁力作用下限位于所述球面凹槽内；

所述容器筒底部设有温度传感器，所述温度传感器的探头位于所述容器筒的中轴线上，且与待测液体直接接触；所述容器筒的外侧设置各条温控带，所述容器筒侧方还沿竖直方向上下设置两个灵敏度可调的霍尔传感器。

进一步的，还包括用于回收所述落针和所述磁球的回收结构，所述回收结构包括通过电机固定座安装至所述框架上的回收电机、通过固定片转动连接至所述框架上的从动轮、张紧设于所述电机的主动轮和所述从动轮上的履带以及连接固定至所述履带上的回收磁铁；所述履带位于所述容器筒侧方，其输送方向与所述容器筒的轴线平行，所述回收磁铁可在所述履带的输送作用下于所述容器筒的侧面由下至上运动。

进一步的，还包括用于数据采集计算的单片机、用于控制各温控带工作的温控模块、用于显示的显示屏和用于控制的控制按钮面板，所述底板的侧沿还连接固定有倾斜向下设置的斜板，所述显示屏和所述控制按钮面板安装固定于所述斜板上；

所述单片机、回收电机、舵机、显示屏、控制按钮面板、温控模块、压力传感器、温度传感器和霍尔传感器、落针盒体内的电磁铁和落球盒体内的电磁铁均与电源电性连接，所述回收电机、舵机、显示屏、控制按钮面板、温控模块、压力传感器、温度传感器、霍尔传感器、落针盒体内的电磁铁和落球盒体内的电磁铁均与所述单片机数据连通，各所述温控带均与所述温控模块数据连通。

进一步的，两个所述霍尔传感器均可拆卸安装于立柱上，并通过所述立柱与所述框架安装固定。

进一步的，还包括通过调节固定装置安装至框架上的品氏粘度计。

进一步的，还包括底端通过地脚连接器连接有地脚的各支脚以及气泡水平仪，所述框架为铝型材制成的矩形框架结构，该框架结构的各拐点阴角配设角码，各所述支脚安装于所述框架底部，用于支撑固定所述框架；所述底板上开设圆形凹槽，所述水平气泡仪配合卡设安装于所述圆形凹槽内。

进一步的，所述转换底座通过其底部设置的两个固定脚安装固定至框架上，其主体为圆柱形结构，与所述转换器相配合，所述转换底座顶部设有用于限制所述转换臂转动范围的限位槽；所述转换器为中空结构，其输出端设有两个口型连接结构，并通过两个所述口型结构与两根所述转换臂的前端配合连接。

进一步的，所述电磁铁位于所述落针盒体或所述落球盒体内，并通过螺栓螺纹连接至所述落针盒体或所述落球盒体顶部。

进一步的，所述底板和所述容器筒由亚克力制成，所述容器筒侧壁顶部设有刻度线；所述转换臂由铝型材制成，所述压力传感器底座、所述筒底座、所述液体收集容器、所述转换底座、所述转换器、所述落针释放支撑块和所述落球释放支撑块由树脂材料3D打印制成。

一种粘滞系数综合测量方法，包括以下步骤：

步骤一，检查装置完整性，将测量平台连通电源并检查程序就绪，随后参照水平气泡仪，通过调节各地脚连接器和地脚及角码，将测量平台调平；

步骤二，向容器筒中倒入指定体积液柱高度h₀的待测液体，压力传感器测量待测液体的重力F₀反馈至单片机，温度传感器持续实时监测待测液体的温度t₀反馈至单片机并显示于显示屏中；

根据公式一：

单片机计算得出待测液体的密度ρ₀并显示于显示屏内；

其中，g为重力加速度常量，D为容器筒的直径；

步骤三，以落球法测量待测液体的粘滞系数η_球：

确认磁球的直径d和密度ρ_球，将磁球安装至落球释放支撑块底部，控制转换器驱动转换臂将落球盒体转动至所述容器筒正上方；确认两个霍尔传感器的安装间距S₀并录入单片机，调节霍尔传感器至信号灯刚好不亮，此时霍尔传感器的灵敏度最高，处于待激发状态；

通过控制按钮面板控制落球盒体内的电磁铁断电释放磁球，磁球下落过程中依次触发两个霍尔传感器，霍尔传感器将信号反馈至单片机，获取磁球经过两个霍尔传感器的时间差ΔT_球；

根据公式二粘滞系数的落球法公式：

单片机计算得出落球法测得的原始粘滞系数η_球0；

根据公式三：

单片机计算得出落球法雷诺数Re；

其中：

为磁球在待测液体中下落的速度；

随后，单片机对雷诺数Re进行判定，得出落球法测得的粘滞系数η_球，并与温度传感器实时监测获得的待测液体的温度t₀对应显示于显示于显示屏中：

当Re≤0.1时，落球法测得的粘滞系数η_球＝η_球0；

当Re>0.1时，落球法测得的粘滞系数：

步骤四，回收磁球，通过控制按钮面板控制回收电机驱动履带转动，使履带带动回收磁铁先运动至容器筒侧方底部，再沿容器筒由下至上运动至容器筒顶部侧方，磁球在回收磁铁的磁力作用下于容器筒内跟随回收磁铁向上运动至回收容器口部，随后由实验人员以工具夹取回收磁球；

步骤五，以落针法测量待测液体的粘滞系数η_针：

确认落针的直径A、长度l_针和密度ρ_针，将落针安装至落针释放支撑块底部，控制转换器驱动转换臂将落针盒体转动至所述容器筒正上方；调节位于下方的一个霍尔传感器至信号灯刚好不亮，此时该霍尔传感器的灵敏度最高，处于待激发状态；

通过控制按钮面板控制落针盒体内的电磁铁断电释放落针，落针下落的过程中，其顶端和底端的落针小磁铁依次触发该霍尔传感器，霍尔传感器将信号反馈至单片机，获取落针顶端和底端经过该霍尔传感器的时间差ΔT_针；

根据公式四粘滞系数的落针法公式：

单片机计算得出落针法测得的粘滞系数η_针，并与温度传感器实时监测获得的待测液体的温度t₀对应显示于显示屏中；

步骤六，回收落针，通过控制按钮面板控制回收电机驱动履带转动，使履带带动回收磁铁先运动至容器筒侧方底部，再沿容器筒由下至上运动至容器筒顶部侧方，落针在回收磁铁的磁力作用下于容器筒内跟随回收磁铁向上运动至回收容器口部，随后由实验人员以工具夹取回收落针；

步骤七，以流量法测量待测液体的粘滞系数η_流：

确认装载管道的长度L_管和直径R，旋开装载管道末端的装载阀使待测液体缓慢成股流出，压力传感器以设定的时间间隔T_s实时测量容器筒内剩余待测液体的重力F_t并反馈至单片机；

根据公式五：

单片机计算得出待测液体的粘滞系数η_流，并与温度传感器实时监测获得的待测液体的温度t₀对应显示于显示屏中；

步骤八，使用品氏粘度计以毛细管法测得待测液体的粘滞系数η_品，并将η_品与温度传感器实时监测获得的待测液体的温度t₀相对应；

步骤九，利用Origin、MATLAB或Word软件中的一种或几种对测量得到的η_球、η_针、η_流和η_品作拟合曲线，得到η_球、η_针、η_流和η_品与温度的变化关系及曲线方程；

步骤十，将容器筒由底座上取下，洗净并干燥，以备下次测量使用。

本发明提供了一种粘滞系数综合测量平台及测量方法，具有以下有益效果：

1、本发明的测量平台将落球法、落针法、流量法和毛细管法的测量结构综合至测量平台内，实现了液体粘滞系数同平台的多种测量方式的不等精度测量，在直观体现流体粘滞现象的同时，完成环境条件和透明及非透明液体粘滞系数的自动化测量，为流体粘滞特性及其影响因素的研究提供硬件基础；

2、本发明测量平台的回收结构通过回收磁铁的磁力实现磁球和落针的无接触回收，大大减少了磁球和落针的回收耗时，提高了实验效率，同时减少了待测液体的损耗，消除了具有易燃性的待测液体起火的安全隐患；

3、本发明的测量方法以压力传感器实时测量获取待测液体的重力，能够实现粘滞系数的自动连续测量，大大提高了实验中获得的测量数据的数量，有利于实验结果准确性的提高；

4、本发明的测量平台能实现磁球和落针沿容器筒轴线的精准释放，大大提高了实验的可重复性和稳定性，提高了实验结果的准确性；

5、本发明的测量平台采用霍尔传感器进行磁球和落针的下落速度检测，测量准确性高，且适用于非透明液体的测量；

6、本发明采用开放式的框架结构，便于实验过程中多角度的观察演示。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的主视结构示意图；

图3为本发明的右视结构示意图；

图4为本发明的俯视结构示意图。

图中：

1、框架结构，11、框架，12、底板，121、圆形凹槽，13、支脚，14、地脚，15、角码，16、水平气泡仪，17、斜板；2、装载结构，21、压力传感器底座，22、压力传感器，23、筒底座，24、容器筒，25、装载管道，26、装载阀，27、液体收集容器；3、转换释放结构，31、转换底座，32、转换器，33、转换臂，34、落针盒体，35、落针释放支撑块，351、落针槽，36、落球盒体，37、落球释放支撑块，371、球面凹槽；4、落针；5、磁球；6、回收结构，61、回收电机，62、从动轮，63、履带，64、回收磁铁，65、电机固定座，66、固定片；71、霍尔传感器，72、品氏粘度计，73、显示屏，74、立柱，75、控制按钮面板。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1～图4所示，其结构关系为：包括用于支撑固定测量平台的框架结构1、用于装载液体的装载结构2、用于进行落针或落球动作的转换释放结构3和用于回收落针4或磁球5；框架结构11包括呈框状的框架11和安装固定于框架11底部的底板12，落针4内的顶端和底端各设有一个落针小磁铁；

装载结构2包括通过压力传感器底座21安装至底板12上的压力传感器22、安装于筒底座23上的容器筒24、前端与容器筒24连通的装载管道25、安装于装载管道25末端的装载阀26以及安装于底板12上的液体收集容器27，筒底座23安装至压力传感器22上，装载管道25末端连通至液体收集容器27上方，且由装载阀26控制通断；

转换释放结构3包括通过转换底座31转动安装至框架11顶部转换器32、前端安装连接至转换器32输出端的两根转换臂33、分别连接至两根转换臂33末端的落针盒体34和落球盒体36以及分别安装连接至落针盒体34和落球盒体36底部的落针释放支撑块35和落球释放支撑块37，落针释放支撑块35和落球释放支撑块37可分别以胶水粘接至落针盒体34和落球盒体36底部；转换器32的输入端与舵机连接，落针盒体34和落球盒体36均可在转换器32的驱动下转动至容器筒24的正上方；即转动至落针释放支撑块35和落球释放支撑块37的中心与容器筒24的轴线重合；落针释放支撑块35底部为上大下小的锥形结构的落针槽351，落针4在落针盒体34内电磁铁的磁力作用下限位于落针槽351内；保证落针4能够竖直下落；落球释放支撑块37底部设有球面凹槽371，磁球5在落球盒体36内电磁铁的磁力作用下限位于球面凹槽371内；保证磁球5每次实验中吸附定位及下落起始位置相同；

容器筒24底部设有温度传感器，温度传感器的探头位于容器筒24的中轴线上，且与待测液体直接接触；容器筒24的外侧设置各条温控带，容器筒24侧方还沿竖直方向上下设置两个灵敏度可调的霍尔传感器71，以适应不同磁性大小的磁球5的测量需要；

实验过程中，可通过霍尔传感器71感应磁场的变化，获得测量磁球5经过两个霍尔传感器71的时间差和落针4的顶端和底端经过一个霍尔传感器71的时间差，可通过压力传感器的测量结果和加入的待测液体的体积获得待测液体的重力和密度，并可通过温度传感器获得待测液体的温度。

优选的，还包括用于回收落针4和磁球5的回收结构6，回收结构6包括通过电机固定座65安装至框架11上的回收电机61、通过固定片66转动连接至框架11上的从动轮62、张紧设于电机61的主动轮和从动轮62上的履带63以及连接固定至履带63上的回收磁铁64；履带63位于容器筒24侧方，其输送方向与容器筒24的轴线平行，回收磁铁64可在履带63的输送作用下于容器筒24的侧面由下至上运动；实际使用时，可通过调节回收电机61和从动轮62之间的距离以及履带63的长度以实现落针4和磁球5回收位置的调节，实现较好的回收效果。

优选的，还包括用于数据采集计算的单片机、用于控制各温控带工作的温控模块、用于显示的显示屏73和用于控制的控制按钮面板75，底板12的侧沿还连接固定有倾斜向下设置的斜板17，显示屏73和控制按钮面板75安装固定于斜板17上；

单片机、回收电机61、舵机、显示屏73、控制按钮面板75、温控模块、压力传感器22、温度传感器和霍尔传感器71、落针盒体34内的电磁铁和落球盒体36内的电磁铁均与电源电性连接，回收电机61、舵机、显示屏73、控制按钮面板75、温控模块、压力传感器22、温度传感器、霍尔传感器71、落针盒体34内的电磁铁和落球盒体36内的电磁铁均与单片机数据连通，各温控带均与温控模块数据连通；控制按钮面板75和显示屏73用于各项实验数据的显示，便于观察和记录实验数据；实际使用时，单片机可选用STC-51单片机，并固定于控制按钮面板75背面，以便于电路连接。

优选的，两个霍尔传感器71均可拆卸安装于立柱74上，并通过立柱74与框架11安装固定；两个霍尔传感器71的安装高度和间距均可以根据实验需要调节，霍尔传感器71与容器筒24之间的安装距离也可通过改变立柱74的安装位置调节，以适应不同规格的落针4和磁球5的实验需要。

优选的，还包括通过调节固定装置安装至框架11上的品氏粘度计72；品氏粘度计72安装的水平向应与底板12保持一致，使其水平度可通过水平气泡仪16与底板12同步调节；品氏粘度计72可通过毛细管法获取液体的粘滞系数，该粘滞系数可用于与测量平台以其他方式获取的粘滞系数进行测量比较并形成对照。

优选的，还包括底端通过地脚连接器连接有地脚14的各支脚13以及气泡水平仪16，框架11为铝型材制成的矩形框架结构，该框架结构的各拐点阴角配设角码15，各支脚安装于框架11底部，用于支撑固定框架11；底板12上开设圆形凹槽121，水平气泡仪16配合卡设安装于圆形凹槽121内；气泡水平仪20用于对测量平台底板12的水平度进行检测，同时可配合各支脚底部的地脚连接器8以及各角码15实现测量平台的调平。

优选的，转换底座31通过其底部设置的两个固定脚安装固定至框架11上，其主体为圆柱形结构，与转换器32相配合，转换底座31顶部设有用于限制转换臂33转动范围的限位槽；转换器32为中空结构，在满足强度要求的前提下，减轻结构重量；其输出端设有两个口型连接结构，并通过两个口型结构与两根转换臂33的前端配合连接。

优选的，电磁铁位于落针盒体34或落球盒体36内，并通过螺栓螺纹连接至落针盒体34或落球盒体36顶部；可通过转动螺栓调节电磁铁于落针盒体34或落球盒体36内的安装位置，以适应不同大小的落针4或磁球5的安装需要。

优选的，底板12和容器筒24由亚克力制成，容器筒24侧壁顶部设有刻度线；转换臂33由铝型材制成，压力传感器底座21、筒底座23、液体收集容器27、转换底座31、转换器32、落针释放支撑块35和落球释放支撑块37由树脂材料3D打印制成。

具体使用时，包括以下步骤：

步骤一，检查装置完整性，将测量平台连通电源并检查程序就绪，随后参照水平气泡仪16，通过调节各地脚连接器和地脚14及角码15，将测量平台调平；

步骤二，向容器筒24中倒入指定体积液柱高度h₀的待测液体，压力传感器22测量待测液体的重力F₀反馈至单片机，温度传感器持续实时监测待测液体的温度t₀反馈至单片机并显示于显示屏73中；

根据公式一：

单片机计算得出待测液体的密度ρ₀并显示于显示屏73内；

其中，g为重力加速度常量，D为容器筒24的直径；

步骤三，以落球法测量待测液体的粘滞系数η_球：

确认磁球5的直径d和密度ρ_球，将磁球5安装至落球释放支撑块37底部，控制转换器32驱动转换臂33将落球盒体36转动至容器筒24正上方；确认两个霍尔传感器71的安装间距S₀并录入单片机，调节霍尔传感器71至信号灯刚好不亮，此时霍尔传感器71的灵敏度最高，处于待激发状态；

通过控制按钮面板75控制落球盒体36内的电磁铁断电释放磁球5，磁球下落过程中依次触发两个霍尔传感器71，霍尔传感器71将信号反馈至单片机，获取磁球5经过两个霍尔传感器71的时间差ΔT_球；

根据公式二粘滞系数的落球法公式：

单片机计算得出落球法测得的原始粘滞系数η_球0；

根据公式三：

单片机计算得出落球法雷诺数Re；

其中：

为磁球5在待测液体中下落的速度；

随后，单片机对雷诺数Re进行判定，得出落球法测得的粘滞系数η_球，并与温度传感器实时监测获得的待测液体的温度t₀对应显示于显示于显示屏73中：

当Re≤0.1时，落球法测得的粘滞系数η_球＝η_球0；

当Re>0.1时，落球法测得的粘滞系数：

步骤四，回收磁球5，通过控制按钮面板75控制回收电机61驱动履带63转动，使履带63带动回收磁铁64先运动至容器筒24侧方底部，再沿容器筒24由下至上运动至容器筒24顶部侧方，磁球5在回收磁铁64的磁力作用下于容器筒24内跟随回收磁铁64向上运动至回收容器24口部，随后由实验人员以工具夹取回收磁球5；

步骤五，以落针法测量待测液体的粘滞系数η_针：

确认落针的直径A、长度l_针和密度ρ_针，将落针4安装至落针释放支撑块35底部，控制转换器32驱动转换臂33将落针盒体34转动至容器筒24正上方；调节位于下方的一个霍尔传感器71至信号灯刚好不亮，此时该霍尔传感器71的灵敏度最高，处于待激发状态；

通过控制按钮面板75控制落针盒体34内的电磁铁断电释放落针4，落针4下落的过程中，其顶端和底端的落针小磁铁依次触发该霍尔传感器71，霍尔传感器71将信号反馈至单片机，获取落针4顶端和底端经过该霍尔传感器71的时间差ΔT_针；

根据公式四粘滞系数的落针法公式：

单片机计算得出落针法测得的粘滞系数η_针，并与温度传感器实时监测获得的待测液体的温度t₀对应显示于显示屏73中；

步骤六，回收落针4，通过控制按钮面板75控制回收电机61驱动履带63转动，使履带63带动回收磁铁64先运动至容器筒24侧方底部，再沿容器筒24由下至上运动至容器筒24顶部侧方，落针4在回收磁铁64的磁力作用下于容器筒24内跟随回收磁铁64向上运动至回收容器24口部，随后由实验人员以工具夹取回收落针4；

步骤七，以流量法测量待测液体的粘滞系数η_流：

确认装载管道25的长度L_管和直径R，旋开装载管道25末端的装载阀26使待测液体缓慢成股流出，压力传感器22以设定的时间间隔T_s实时测量容器筒24内剩余待测液体的重力F_t并反馈至单片机；

根据公式五：

单片机计算得出待测液体的粘滞系数η_流，并与温度传感器实时监测获得的待测液体的温度t₀对应显示于显示屏73中；

步骤八，使用品氏粘度计72以毛细管法测得待测液体的粘滞系数η_品，并将η_品与温度传感器实时监测获得的待测液体的温度t₀相对应；

步骤九，利用Origin、MATLAB或Word软件中的一种或几种对测量得到的η_球、η_针、η_流和η_品作拟合曲线，得到η_球、η_针、η_流和η_品与温度的变化关系及曲线方程；

拟合曲线可以现有的拟合方法得到，如可按[1]武新,张永胜.Origin在曲线拟合中的应用[J].计算机工程与应用,2005,41(17):3.中的方法通过Origin得到拟合曲线；

步骤十，将容器筒24由底座12上取下，洗净并干燥，以备下次测量使用。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种粘滞系数综合测量平台，其特征在于：包括用于支撑固定所述测量平台的框架结构(1)、用于装载液体的装载结构(2)、用于进行落针或落球动作的转换释放结构(3)和用于回收落针(4)或磁球(5)；所述框架结构(11)包括呈框状的框架(11)和安装固定于所述框架(11)底部的底板(12)，所述落针(4)内的顶端和底端各设有一个落针小磁铁；

所述装载结构(2)包括通过压力传感器底座(21)安装至所述底板(12)上的压力传感器(22)、安装于筒底座(23)上的容器筒(24)、前端与所述容器筒(24)连通的装载管道(25)、安装于所述装载管道(25)末端的装载阀(26)以及安装于所述底板(12)上的液体收集容器(27)，所述筒底座(23)安装至所述压力传感器(22)上，所述装载管道(25)末端连通至所述液体收集容器(27)上方，且由所述装载阀(26)控制通断；

所述转换释放结构(3)包括通过转换底座(31)转动安装至所述框架(11)顶部转换器(32)、前端安装连接至所述转换器(32)输出端的两根转换臂(33)、分别连接至两根所述转换臂(33)末端的落针盒体(34)和落球盒体(36)以及分别安装连接至所述落针盒体(34)和所述落球盒体(36)底部的落针释放支撑块(35)和落球释放支撑块(37)，所述转换器(32)的输入端与舵机连接，所述落针盒体(34)和所述落球盒体(36)均可在所述转换器(32)的驱动下转动至所述容器筒(24)的正上方；所述落针释放支撑块(35)底部为上大下小的锥形结构的落针槽(351)，所述落针(4)在所述落针盒体(34)内电磁铁的磁力作用下限位于所述落针槽(351)内；所述落球释放支撑块(37)底部设有球面凹槽(371)，所述磁球(5)在所述落球盒体(36)内电磁铁的磁力作用下限位于所述球面凹槽(371)内；

所述容器筒(24)底部设有温度传感器，所述温度传感器的探头位于所述容器筒(24)的中轴线上，且与待测液体直接接触；所述容器筒(24)的外侧设置各条温控带，所述容器筒(24)侧方还沿竖直方向上下设置两个灵敏度可调的霍尔传感器(71)。

2.根据权利要求1所述的一种粘滞系数综合测量平台，其特征在于：还包括用于回收所述落针(4)和所述磁球(5)的回收结构(6)，所述回收结构(6)包括通过电机固定座(65)安装至所述框架(11)上的回收电机(61)、通过固定片(66)转动连接至所述框架(11)上的从动轮(62)、张紧设于所述电机(61)的主动轮和所述从动轮(62)上的履带(63)以及连接固定至所述履带(63)上的回收磁铁(64)；所述履带(63)位于所述容器筒(24)侧方，其输送方向与所述容器筒(24)的轴线平行，所述回收磁铁(64)可在所述履带(63)的输送作用下于所述容器筒(24)的侧面由下至上运动。

3.根据权利要求2所述的一种粘滞系数综合测量平台，其特征在于：还包括用于数据采集计算的单片机、用于控制各温控带工作的温控模块、用于显示的显示屏(73)和用于控制的控制按钮面板(75)，所述底板(12)的侧沿还连接固定有倾斜向下设置的斜板(17)，所述显示屏(73)和所述控制按钮面板(75)安装固定于所述斜板(17)上；

所述单片机、回收电机(61)、舵机、显示屏(73)、控制按钮面板(75)、温控模块、压力传感器(22)、温度传感器和霍尔传感器(71)、落针盒体(34)内的电磁铁和落球盒体(36)内的电磁铁均与电源电性连接，所述回收电机(61)、舵机、显示屏(73)、控制按钮面板(75)、温控模块、压力传感器(22)、温度传感器、霍尔传感器(71)、落针盒体(34)内的电磁铁和落球盒体(36)内的电磁铁均与所述单片机数据连通，各所述温控带均与所述温控模块数据连通。

4.根据权利要求1所述的一种粘滞系数综合测量平台，其特征在于：两个所述霍尔传感器(71)均可拆卸安装于立柱(74)上，并通过所述立柱(74)与所述框架(11)安装固定。

5.根据权利要求1所述的一种粘滞系数综合测量平台，其特征在于：还包括通过调节固定装置安装至框架(11)上的品氏粘度计(72)。

6.根据权利要求1所述的一种粘滞系数综合测量平台，其特征在于：还包括底端通过地脚连接器连接有地脚(14)的各支脚(13)以及气泡水平仪(16)，所述框架(11)为铝型材制成的矩形框架结构，该框架结构的各拐点阴角配设角码(15)，各所述支脚安装于所述框架(11)底部，用于支撑固定所述框架(11)；所述底板(12)上开设圆形凹槽(121)，所述水平气泡仪(16)配合卡设安装于所述圆形凹槽(121)内。

7.根据权利要求1所述的一种粘滞系数综合测量平台，其特征在于：所述转换底座(31)通过其底部设置的两个固定脚安装固定至框架(11)上，其主体为圆柱形结构，与所述转换器(32)相配合，所述转换底座(31)顶部设有用于限制所述转换臂(33)转动范围的限位槽；所述转换器(32)为中空结构，其输出端设有两个口型连接结构，并通过两个所述口型结构与两根所述转换臂(33)的前端配合连接。

8.根据权利要求1所述的一种粘滞系数综合测量平台，其特征在于：所述电磁铁位于所述落针盒体(34)或所述落球盒体(36)内，并通过螺栓螺纹连接至所述落针盒体(34)或所述落球盒体(36)顶部。

9.根据权利要求1所述的一种粘滞系数综合测量平台，其特征在于：所述底板(12)和所述容器筒(24)由亚克力制成，所述容器筒(24)侧壁顶部设有刻度线；所述转换臂(33)由铝型材制成，所述压力传感器底座(21)、所述筒底座(23)、所述液体收集容器(27)、所述转换底座(31)、所述转换器(32)、所述落针释放支撑块(35)和所述落球释放支撑块(37)由树脂材料3D打印制成。

10.一种粘滞系数综合测量方法，以如权利要求1～9中任一项所述的粘滞系数综合测量平台进行测量，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，检查装置完整性，将测量平台连通电源并检查程序就绪，随后参照水平气泡仪(16)，通过调节各地脚连接器和地脚(14)及角码(15)，将测量平台调平；

步骤二，向容器筒(24)中倒入指定体积液柱高度h₀的待测液体，压力传感器(22)测量待测液体的重力F₀反馈至单片机，温度传感器持续实时监测待测液体的温度t₀反馈至单片机并显示于显示屏(73)中；

根据公式一：

单片机计算得出待测液体的密度ρ₀并显示于显示屏(73)内；

其中，g为重力加速度常量，D为容器筒(24)的直径；

步骤三，以落球法测量待测液体的粘滞系数η_球：

确认磁球(5)的直径d和密度ρ_球，将磁球(5)安装至落球释放支撑块(37)底部，控制转换器(32)驱动转换臂(33)将落球盒体(36)转动至所述容器筒(24)正上方；确认两个霍尔传感器(71)的安装间距S₀并录入单片机，调节霍尔传感器(71)至信号灯刚好不亮，此时霍尔传感器(71)的灵敏度最高，处于待激发状态；

通过控制按钮面板(75)控制落球盒体(36)内的电磁铁断电释放磁球(5)，磁球下落过程中依次触发两个霍尔传感器(71)，霍尔传感器(71)将信号反馈至单片机，获取磁球(5)经过两个霍尔传感器(71)的时间差ΔT_球；

根据公式二粘滞系数的落球法公式：

单片机计算得出落球法测得的原始粘滞系数η_球0；

根据公式三：

单片机计算得出落球法雷诺数Re；

其中：

为磁球(5)在待测液体中下落的速度；

随后，单片机对雷诺数Re进行判定，得出落球法测得的粘滞系数η_球，并与温度传感器实时监测获得的待测液体的温度t₀对应显示于显示于显示屏(73)中：

当Re≤0.1时，落球法测得的粘滞系数η_球＝η_球0；

当Re>0.1时，落球法测得的粘滞系数：

步骤四，回收磁球(5)，通过控制按钮面板(75)控制回收电机(61)驱动履带(63)转动，使履带(63)带动回收磁铁(64)先运动至容器筒(24)侧方底部，再沿容器筒(24)由下至上运动至容器筒(24)顶部侧方，磁球(5)在回收磁铁(64)的磁力作用下于容器筒(24)内跟随回收磁铁(64)向上运动至回收容器(24)口部，随后由实验人员以工具夹取回收磁球(5)；

步骤五，以落针法测量待测液体的粘滞系数η_针：

确认落针的直径A、长度l_针和密度ρ_针，将落针(4)安装至落针释放支撑块(35)底部，控制转换器(32)驱动转换臂(33)将落针盒体(34)转动至所述容器筒(24)正上方；调节位于下方的一个霍尔传感器(71)至信号灯刚好不亮，此时该霍尔传感器(71)的灵敏度最高，处于待激发状态；

通过控制按钮面板(75)控制落针盒体(34)内的电磁铁断电释放落针(4)，落针(4)下落的过程中，其顶端和底端的落针小磁铁依次触发该霍尔传感器(71)，霍尔传感器(71)将信号反馈至单片机，获取落针(4)顶端和底端经过该霍尔传感器(71)的时间差ΔT_针；

根据公式四粘滞系数的落针法公式：

单片机计算得出落针法测得的粘滞系数η_针，并与温度传感器实时监测获得的待测液体的温度t₀对应显示于显示屏(73)中；

步骤六，回收落针(4)，通过控制按钮面板(75)控制回收电机(61)驱动履带(63)转动，使履带(63)带动回收磁铁(64)先运动至容器筒(24)侧方底部，再沿容器筒(24)由下至上运动至容器筒(24)顶部侧方，落针(4)在回收磁铁(64)的磁力作用下于容器筒(24)内跟随回收磁铁(64)向上运动至回收容器(24)口部，随后由实验人员以工具夹取回收落针(4)；

步骤七，以流量法测量待测液体的粘滞系数η_流：

确认装载管道(25)的长度L_管和直径R，旋开装载管道(25)末端的装载阀(26)使待测液体缓慢成股流出，压力传感器(22)以设定的时间间隔T_s实时测量容器筒(24)内剩余待测液体的重力F_t并反馈至单片机；

根据公式五：

单片机计算得出待测液体的粘滞系数η_流，并与温度传感器实时监测获得的待测液体的温度t₀对应显示于显示屏(73)中；

步骤八，使用品氏粘度计(72)以毛细管法测得待测液体的粘滞系数η_品，并将η_品与温度传感器实时监测获得的待测液体的温度t₀相对应；

步骤九，利用Origin、MATLAB或Word软件中的一种或几种对测量得到的η_球、η_针、η_流和η_品作拟合曲线，得到η_球、η_针、η_流和η_品与温度的变化关系及曲线方程；

步骤十，将容器筒(24)由底座(12)上取下，洗净并干燥，以备下次测量使用。

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