CN219201260U - 金属感应全时长测液体粘滞系数的实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及液体粘滞系数测量技术领域，尤其涉及金属感应全时长测液体粘滞系数的实验装置，包括支架单元、测量单元和计时单元，所述测量单元设置在支架单元上，所述支架单元和测量单元与计时单元电连接。本实用新型拓展了斯托克斯公式的应用条件，通过奥西思－果尔斯校正公式，使其能够在非无限广延和湍流条件下也能得到应用，消除了系统误差，装置简单易得，测量结果精确，测量范围广泛，所需成本较低，测量操作简单，可在相关领域进行推广应用。

Description

金属感应全时长测液体粘滞系数的实验装置

技术领域

本实用新型涉及液体粘滞系数测量技术领域，尤其涉及金属感应全时长测液体粘滞系数的实验装置。

背景技术

落球法是目前在生产及教学实验中测量较粘稠液体粘滞系数的常用方法。传统的落球法是基于理想条件下的斯托克斯公式，即。当小球在下落过程达到重力、浮力和粘滞阻力三力平衡的状态时，通过测量小球在液体中匀速下落时的速度，即可求得粘滞系数。

但传统落球法实验的测量装置存在一些不足，第一，无法满足斯托克斯公式严苛的适用条件，即：1.液体为无限广延空间；2.液体仅发生平流，这会导致系统误差无法消除。第二，小球初始释放状态不定。大量实验和相关文献表明，小球释放的初始位置偏离中心轴线的距离会对小球的下落速度产生影响，使用传统测量装置进行实验过程中，由实验者使用小勺或镊子释放小球，难以保证小球严格由中心轴线处无初速度下落。第三，无法确定测速区间内小球已经达到匀速状态。测速区间选择的主观性、经验性和随机性，会导致测量误差。第四，仅能测量粘滞系数较大的液体，测量范围具有一定的局限性。第五，不能测量透明度较差的液体，在此情况下，小球的下落情况无法被实验者观察到，从而带来测量困难。第四，更换待测液体较为不便。第五、回收小球时不方便，并对待测液造成污染。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供金属感应全时长测液体粘滞系数的实验装置，以解决现有的实验装置无法满足斯托克斯公式严苛的适用条件，小球初始释放状态不定，无法确定测速区间内小球已经达到匀速状态，不能测量透明度较差的液体，局限性大的问题。

为了实现上述目的，本实用新型采用了如下技术方案：

金属感应全时长测液体粘滞系数的实验装置，包括支架单元、测量单元和计时单元，所述测量单元设置在支架单元上，所述支架单元和测量单元与计时单元电连接；

所述支架单元包括四组固定套、底座、竖直滑动杆、起始线圈、第一电感线圈、第二电感线圈和第三电感线圈，所述竖直滑动杆一端固定在底座上，所述起始线圈、第一电感线圈、第二电感线圈和第三电感线圈分别固定在四组固定套中的其中一组侧面上且通过固定套自上而下依次设置在竖直滑动杆上，所述量筒位于起始线圈、第一电感线圈、第二电感线圈和第三电感线圈的环形内部，且第一电感线圈、第二电感线圈和第三电感线圈与计时单元电连接；

所述测量系统包括量筒、多匝环形线圈、橡胶塞、铁钉、小球以及玻璃管，所述量筒固定在竖直滑动杆右侧的底座上，所述橡胶塞设置在量筒上端开口处，所述铁钉穿过橡胶塞设置在量筒上方，所述多匝环形线圈套装在铁钉侧面，所述多匝环形线圈与计时单元电连接，所述小球位于量筒内，所述量筒外侧设置有一玻璃管，所述量筒下排液端口并延伸至玻璃管底部，且连接有橡胶管；

所述计时单元包括集成电路盒、显示屏、连接端口和键盘，显示屏、连接端口和键盘均设置在集成电路盒上，所述起始线圈、第一电感线圈、第二电感线圈、第三电感线圈和环形线圈通过连接端口连接在集成电路盒上，所述集成电路盒还包括一控制电路。

优选的，所述竖直滑动杆上标有厘米刻度线，且四组固定套侧面均通过螺纹连接调节螺栓，所述调节螺栓穿过固定套与竖直滑动杆侧面相连接。

优选的，所述控制电路包括正向变压直流电源、反向变压直流电源、第一电阻、第二电阻、环形线圈和单刀双掷开关，环形线圈环绕在铁钉外围形成电磁铁钉，铁钉未环绕环形线圈尖端穿过橡胶塞，环形线圈与第一电阻串联通过单刀双掷开关与正向变压直流电源串联，环形线圈再与第二电阻串联通过单刀双掷开关与反向变压直流电源串联，反向变压直流电源支路与正向变压直流电源支路为并联支路。

优选的，所述起始线圈、第一电感线圈、第二电感线圈和第三电感线圈的内直径均大于玻璃管的外直径。

优选的，所述橡胶塞的中心开设有孔径大小与铁钉直径大小相等的橡胶塞贯穿孔，所述玻璃管一侧还设置有一用于外部恒温系统连接的管道。

本实用新型至少具备以下有益效果：

本实用新型公开的金属感应全时长测液体粘滞系数的实验装置，铁钉与计时单元电连接，形成电磁铁钉，使用电磁铁钉释放小球，保证了小球在量筒中心轴线处无初速度释放，采用第一电感线圈、第二电感线圈和第三电感线圈与计时单元电连接，通过电信号实现对小球释放和小球达到终止刻度计时理论上不存在计时误差，用全程位移和全程时间的测量替代对匀速度的测量，无需考虑小球在测速区间是否达到匀速，可增大粘滞系数的测量范围，并可测量非透明，非均匀分层的变粘滞系数的液体的粘滞系数，拓展了斯托克斯公式的应用条件，通过奥西思－果尔斯校正公式，使其能够在非无限广延和湍流条件下也能得到应用，消除了系统误差，装置简单易得，测量结果精确，测量范围广泛，所需成本较低，测量操作简单，可在相关领域进行推广应用。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的截面示意图；

图2为本实用新型的局部放大图；

图3为本实用新型的小球初始位置图；

图4为本实用新型的控制电路图；

图5为蓖麻油粘滞系数随温度变化的曲线图；

图6为两组实验仪器蓖麻油粘滞系数的相对不确定度分布图，其中(A)为本申请所测蓖麻油粘滞系数的相对不确定度分布情况；(B)为传统实验仪器所测蓖麻油粘滞系数的相对不确定度分布情况。

图中：1、竖直滑动杆；2、铁钉；3、多匝环形线圈；4、橡胶塞；5、量筒；6、起始线圈；7、第一电感线圈；8、第二电感线圈；9、第三电感线圈；10、集成电路盒；11、调节螺栓；12、橡胶塞贯穿孔；13、小球；14、排液端口；15、玻璃管。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结了合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。

下面结合附图对本实用新型做进一步详细描述：

请参阅图1-6，本实用新型提供了金属感应全时长测液体粘滞系数的实验装置的技术方案：

包括支架单元、测量单元和计时单元，测量单元设置在支架单元上，支架单元和测量单元与计时单元电连接；

支架单元包括四组固定套、底座、竖直滑动杆1、起始线圈6、第一电感线圈7、第二电感线圈8和第三电感线圈9，竖直滑动杆1一端固定在底座上，起始线圈6、第一电感线圈7、第二电感线圈8和第三电感线圈9分别固定在四组固定套中的其中一组侧面上且通过固定套自上而下依次设置在竖直滑动杆1上，量筒5位于起始线圈6、第一电感线圈7、第二电感线圈8和第三电感线圈9的环形内部，且第一电感线圈7、第二电感线圈8和第三电感线圈9与计时单元电连接，可根据起始线圈66的位置H1与设定第一电感线圈7、第二电感线圈8和第三电感线圈9的位置H2、H3、H4，计算小球13在液体内下落的高度H＝H1-H2或H＝H1-H3或H＝H1-H4。并且第一电感线圈7、第二电感线圈8和第三电感线圈9可与计时单元通过连接端口连接，将产生的电信号传到计时单元，当多个电感线圈通过连接端口与计时单元连接时可以输出多个计时信号，从而得到不均匀液体的分层粘滞系数。

测量系统包括量筒5、多匝环形线圈3、橡胶塞4、铁钉2、小球13以及玻璃管15，量筒5固定在竖直滑动杆1右侧的底座上，橡胶塞4设置在量筒5上端开口处，铁钉2穿过橡胶塞4设置在量筒5上方，多匝环形线圈3套装在铁钉侧面，多匝环形线圈3与计时单元电连接，小球13位于量筒5内，量筒5外侧设置有一玻璃管15，量筒5下排液端口14并延伸至玻璃管15底部，且连接有橡胶管，铁钉2与计时单元的控制电路相连，通过控制电路的通断可控制小球13的吸附与掉落。

计时单元包括集成电路盒10、显示屏、连接端口和键盘，显示屏、连接端口和键盘均设置在集成电路盒10上，起始线圈6、第一电感线圈7、第二电感线圈8、第三电感线圈9和环形线圈通过连接端口连接在集成电路盒10上，集成电路盒10还包括一控制电路。

进一步地，竖直滑动杆1上标有厘米刻度线，且四组固定套侧面均通过螺纹连接调节螺栓11，调节螺栓11穿过固定套与竖直滑动杆1侧面相连接，通过固定套以及调节螺栓11的配合，对电感线圈的位置进行调节，可根据所测液体浓度的大小调节小球13所竖直下落的高度，提高实验结果的准确性。

进一步地，控制电路包括正向变压直流电源、反向变压直流电源、第一电阻、第二电阻、环形线圈和单刀双掷开关，环形线圈环绕在铁钉2外围形成电磁铁钉2，铁钉2未环绕环形线圈尖端穿过橡胶塞4，环形线圈与第一电阻串联通过单刀双掷开关与正向变压直流电源串联，环形线圈再与第二电阻串联通过单刀双掷开关与反向变压直流电源串联，反向变压直流电源支路与正向变压直流电源支路为并联支路，当拨动单刀双掷开关使得正向变压直流电源与环形线圈3接通时，环形线圈3内通过正向电流，使得电磁铁钉2产生正向感应磁场；可将小球13吸附于电磁铁钉2尖端，当拨动单刀双掷开关使得反向变压直流电源与环形线圈3接通时，环形线圈3内通过反向电流，使得电磁铁钉2产生反向感应磁场，小球13受到反向磁场作用，开始无初速度从起始线圈6在液体中向下掉落，控制电路在初始计时时刻采用正向变压直流电源和反向变压直流电源并联通过单刀双掷开关与电磁铁钉2连通，通过电路通断控制小球13的下落；在末位置计时时刻，利用第一电感线圈7、第二电感线圈8、第三电感线圈9检测小球13下落，并于智能计时系统相连，实现准确计时。

进一步地，起始线圈6、第一电感线圈7、第二电感线圈8和第三电感线圈9的内直径均大于玻璃管15的外直径。

进一步地，橡胶塞4的中心开设有孔径大小与铁钉2直径大小相等的橡胶塞贯穿孔12，玻璃管15一侧还设置有一用于外部恒温系统连接的管道，铁钉2可以在橡胶塞贯穿孔12上下小幅度抽拉，可以准确控制小球13下落时处于量筒5的中心轴处，并且可以控制在初始位置时小球13的中心与支架单元的起始线圈6相平，且以零初速度下落。

结合以下实施例进行进一步说明：

测量蓖麻油的粘滞系数，采用了半径为75mm的透明玻璃的量筒，温控水浴缸，半径为1.5mm小球，将支架单元的底座及透明玻璃的量筒放置于水平实验台上，竖直滑动杆通过旋钮竖直固定在底座上，并且使竖直滑动杆上的电感线圈穿过透明玻璃的量筒，通过调节竖直杆上起始线圈和第一电感线圈，确定小球下落的高度H＝200mm,向透明玻璃的量筒中沿管壁加入蓖麻油，且使蓖麻油的液面高度高于起始线圈，将电磁铁钉穿过橡胶塞贯穿孔，并将小球吸附在铁钉尖端，将小球缓慢移动浸没在蓖麻油中并且使小球的中心与起始线圈相平，释放小球，待小球运动至电感线圈时记录小球在蓖麻油中下落的时间T，应用公式：

将小球下落高度H，下落时间T，代入上式，采用MATLAB即可得到，其中为小球密度，为液体密度，为粘滞系数，d为小球直径。

计算得到蓖麻油的粘滞系数，重复上述步骤，计算多组蓖麻油粘滞系数的值；通过调节温控水浴缸，分别测量了35.0℃，37.5℃，40.0℃，42.5℃，45.0℃，47.5℃，50.0℃下蓖麻油的粘滞系数，见表1，随机还做出了蓖麻油粘滞系数随温度变化的曲线参见图5，为了增强结果的可信度，用同一量筒和小球采用原始落球法测量蓖麻油的粘滞系数，并对新、旧实验仪器所测得的不同温度下蓖麻油粘度数据及其标准参考值进行比较，通过计算两组不确定度与算术平均值的比，得出两组实验仪器测得数据结果的相对不确定度，绘制出图6，图6中(A)展示了新实验仪器所测蓖麻油粘滞系数的相对不确定度分布情况，图6中(B)展示了传统实验仪器所测蓖麻油粘滞系数的相对不确定度分布情况，每组实验装置均对相应五个不同温度条件下的数据进行了分析，图示数据点大小对应实验温度的高低，(A)、(B)两栏中异色数据点对应其相对不确定度的平均值。从(A)、(B)两栏的对比我们可以看到(A)组的数据点更加集中，(B)组则比较分散，且就相对不确定度的平均值来看，新实验仪器所测数据的相对不确定度更低，可靠程度更高。

表1

综上所述，本实用新型公开的金属感应全时长测液体粘滞系数的实验装置，进行了原理的创新与装置的改进，提供了一种能够实现精确测量液体粘滞系数的技术方案，并解决了测量不透明液体的粘滞系数的困难，同时可以精确控制小球的释放，保证小球从量筒中心轴处无初速度下落，除此之外，本实用新型还克服了难以判断小球何时何处开始匀速运动的难点，大大提高了测量的准确性。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型的范围内。本实用新型要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (5)

1.金属感应全时长测液体粘滞系数的实验装置，其特征在于，包括支架单元、测量单元、测量系统和计时单元，所述测量单元设置在支架单元上，所述支架单元和测量单元与计时单元电连接；

所述支架单元包括四组固定套、底座、竖直滑动杆、起始线圈、第一电感线圈、第二电感线圈和第三电感线圈，所述竖直滑动杆一端固定在底座上，所述起始线圈、第一电感线圈、第二电感线圈和第三电感线圈分别固定在四组固定套中的其中一组侧面上且通过固定套自上而下依次设置在竖直滑动杆上；

所述测量系统包括量筒、多匝环形线圈、橡胶塞、铁钉、小球以及玻璃管，所述量筒固定在竖直滑动杆右侧的底座上，所述橡胶塞设置在量筒上端开口处，所述铁钉穿过橡胶塞设置在量筒上方，所述多匝环形线圈套装在铁钉侧面，所述多匝环形线圈与计时单元电连接，所述小球位于量筒内，所述量筒外侧设置有一玻璃管，所述量筒下排液端口并延伸至玻璃管底部，且连接有橡胶管；

所述量筒位于起始线圈、第一电感线圈、第二电感线圈和第三电感线圈的环形内部，且第一电感线圈、第二电感线圈和第三电感线圈与计时单元电连接；

所述计时单元包括集成电路盒、显示屏、连接端口和键盘，显示屏、连接端口和键盘均设置在集成电路盒上，所述起始线圈、第一电感线圈、第二电感线圈、第三电感线圈和环形线圈通过连接端口连接在集成电路盒上，所述集成电路盒还包括一控制电路。

2.根据权利要求1所述的金属感应全时长测液体粘滞系数的实验装置，其特征在于，所述竖直滑动杆上标有厘米刻度线，且四组固定套侧面均通过螺纹连接调节螺栓，所述调节螺栓穿过固定套与竖直滑动杆侧面相连接。

3.根据权利要求1所述的金属感应全时长测液体粘滞系数的实验装置，其特征在于，所述控制电路包括正向变压直流电源、反向变压直流电源、第一电阻、第二电阻、环形线圈和单刀双掷开关，环形线圈环绕在铁钉外围形成电磁铁钉，铁钉未环绕环形线圈尖端穿过橡胶塞，环形线圈与第一电阻串联通过单刀双掷开关与正向变压直流电源串联，环形线圈再与第二电阻串联通过单刀双掷开关与反向变压直流电源串联，反向变压直流电源支路与正向变压直流电源支路为并联支路。

4.根据权利要求1所述的金属感应全时长测液体粘滞系数的实验装置，其特征在于，所述起始线圈、第一电感线圈、第二电感线圈和第三电感线圈的内直径均大于玻璃管的外直径。

5.根据权利要求1所述的金属感应全时长测液体粘滞系数的实验装置，其特征在于，所述橡胶塞的中心开设有孔径大小与铁钉直径大小相等的橡胶塞贯穿孔，所述玻璃管一侧还设置有一用于外部恒温系统连接的管道。

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