落球法测定液体在不同温度的粘度

1、实验11液体变温粘滞系数的测量当液体内各部分Z间有相对运动时，接触面Z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。粘滞力的人小与接触而而积以及 接触而处的速度梯度成正比，比例系数H称为粘度（或粘滞系数）。对液体粘滞性的研究在流体力学，化学化丁，医疗，水利等领域都仃广泛的陶用，例如 在用管道输送液体时要根据输送液体的流吊，压力差，输送距离及液体粘度，设计输送管道 的【径。测駅液体粘度可用落球法，毛细管法，转筒法等方法，英屮落球法适用丁测駅粘度较高 的液体。粘度的人小取决r液体的性质与温度，温度升高，粘度将迅速减小。例如对r臣麻油， 在室温附近温度改变

2、i°c,粘度值改变约10%。因此，测定液体在不同温度的粘度仃很人的 实际意义。实验目的1. 熟悉液体粘度随温度改变的物理现彖。2. 了解PH-IV型变温粘滞系数实验仪的构造及测量原理3. 用落球法测最不同温度卜谨麻汕的粘度。实验原理变温式落针粘度计是采用屮长空圆柱体（针）在身测液体中垂自卜落，通过测彊针的收 尾速度确定液体的粘度。肖针在待测液体中沿容器中轴垂直卜落时，经过一段时间，针的硫力与粘滞阻力以及 针上卜端面斥力差达到'卜衡，针变为匀速运动，这时针的速度称为收尾速度，此速度町通过 测量针内两磁铁经过传感器的时间间隔T求得。对r牛顿液体（粘度不随切变应力变化而变化的液体）

3、，在恒温条件卜求动力粘度n 的公式为：2 1+2=込gdx _ xdogA-)2叽-丄山邑T)&(1)2CV4 耳耳一针的仃效密度.式屮，& 一容器内筒半径，&一落针外半径.兀一针卜落收尾速度，g車力加速度 几一液体密度.q液体粘度，It中壁和针长的修正系数为:(3)6 二 1-2.04t + 2.0U3氏中片二& %L 2R) 2%V =在实际情况卜，上而（1）式町作简化，并考世到& 丁（L两磁铁同名磁极的间距，T两磁铁经过传感器的时间间隔）。则（1）式可以改写为："譬 3-仇）（1 +等-）Q°gPDF 文件使用"pdf

4、Factory Pro"试用版木创建 www. fineprint, com, cnPDF 文件使用"pdfFactory Pro"试用版木创建 www. fineprint, com, cn在变温条件卜，还必须考虑到液体帝度随温度的改变化二 Qo'1 + 0（* To）1（5）B可用实验方法确定,大约P=O. 93X10_7°C, to=20°C, t为测试时的温度。这样将（5）式代入（D式，即口J计算粘度no因为将计算n的程序已固化在EPROM中,所以,利用单板机可直接将粘度n计算并 显示。实验仪器PHJV型变温粘滞系数实验仪，落针

5、，霍尔传感器，温度计，蘆麻油。1、粘度计本体：木体结构如图6-11-1所示用透明玻璃管制成的内外两个圆筒容器, 竖肖固定在水'卜机座上机朋底部仔调水半的螺丝。内筒长550mm,内筒内苴径约40mm,外筒 外直径约60mm。内筒盛放待测液体（如臣麻汕），内外筒Z间通过控温系统灌水，用以对内 筒水浴加热。外筒的一侧上、卜端并仃一接II,用橡胶管与控温系统的水泵相连，机座上树111、揑媼系统2、特测液体3、水4、酒精溫度计5、扌空杆&落针仁霍尔传感器图6 - 11 - 1 PH-I狸落针式粘度计立一块铝介金支架，其I：装有霍尔传感器和取针装置。闘筒容器顶部盒子上装有投针装置（发 射器

6、），它包括喇叭形的导环和带水久磁铁的拉杆。装此导环为便r取针和让针沿容器中轴 线卜落。用取针装置把针宙容器底部提起，针沿导坏到达盖子顶部被拉杆的磁铁吸住。拉起 拉杆，针因重力作用而沿容器中轴线下落。2、落针：针如图2所示，它是有机玻璃制成的空细长圆柱体，总长约为185mm，其外 半径为R“直径为d,约5. 7mm,何效密度为P 它的卜端为半球形上端为端関台状，便 拉杆相吸。内部两端装令永久磁铁，异名磁极相对。磁铁的同名磁极间的距离为I (170mm), 内部有配重的铅条，改变钳条的数量，可改变针的有效密度。3、霍尔传感器它是灵敏度极高的开关型霍尔传感器.做成圆柱状，外部仃螺纹，町用螺"

7、;固丄在仪器 本体的铝板上。输出信号通过屏蔽电缆、航空插头接到单板计时器上，其电路图如图6-11-3 所示。传感器由5VH流电源供电，每当磁铁经过霍尔传感器前端时，传感器I!卩输出个矩 形脉冲，同时仃LED (发光二极管)指示。图 6-11-34、单板计时器以单板计时器为基础的SD-A熨多功能亳秒计用以计时和处理数据，硕件采用MCS-51 系列微处理芯片，配仃并行接【I,驱动电路，输入由4X4键盘实现。显示为六个数码管， 软件尚化在276 IEPR0M中，银尔传感器产生的脉冲经整形后，从航空插廉输入单板机，由计 时器完成两次脉冲Z间的计时，接收参数输入，并将结果计算和显示出來。5、控温系统控温

8、系统由水泵、加热装置及控温装置组成。微空水泵运转时，水流自粘度计木体的底 部流入，自顶部流出，形成水循环，对待测液体进行水浴加热，加热功率为100W.并通过 控温装置的调弋,达到预定温度。待测液体的温度则用srjpp的洒稻温度计测届。实验内容及步骤1. 安装仪器。将仪器本体的橡皮管安装在控温系统上，卜面的橡皮管接出水孔，上面 的橡皮符接入水孔。用漏斗向水箱注满水，使水位达到水位管的刻线处。然后将霍尔传感器 安装在粘度计的铝板卜.，让探头与圆筒匝直，并尽杲接近閲筒。传感器的输出电缆接到控温 机箱后面板上的航空插座上。将待测液体注满容器，再将孟子加在容器上。2. 加热液体。接通控温系统的电源，按卜

9、-控温按钮，启动水泵，将温度控制器开关调 到某一温度，对待测液体水浴加热，到达设定温度后，红色指示灯亮进行保温。由丁热惯性， 需待一段时间后才能达到平衡。3. 用游标卡尺测量针的直径和长度L,计算体积V,用天平称量针的质量m,从而求出 针的仃效密度P S=m/Vo崑麻油密度Pl宙公式(5)计算预定温度卜一其密度。4. 取下容器盖子，将针放入液体中，然后盖上盖子。按控温机箱上的复位键，显示“PH-2”，表示已经进入复位状态。按2键，显示“H” 或“L”表示毫秒计进入计时待命状态。PDF 文件使用"pdfFactory Pro"试用版木创建 www. fineprint, co

10、m, cn5. 将投针装置的磁铁拉起，让针落卜，数显表显示时间(单位为毫秒)，按A键提示 修改参数，第次显示落针的仃效密度，第二次按A键显示裁麻汕的仃效密度，第三次按A 键显示该设定温度下的液体粘度。6. 用取针装置将针拉起，重复测帚：5次。7. 设定其他温度，继续加热液体测泄该温度卜的液体粘度，做粘度与温度关系曲线。 各参量值：针有效密度 Ps = 2260 Kg/m览麻油密度 P i = 950 Kg/mJ(t=20°C)注意事项1. 应让针沿圆筒中心轴线卜-落，在针卜落过程中应保持竖直状态。2. 用取针装置将针拉起挂在容器上端后，由液体受到扰动，处不稳定状态，应稍 待片刻再将针

11、投下,进行测量。3. 取针装置将针拉起并悬挂后，应将取针装置上的磯铁旋转离开容器以免对针卜一落造 成影响。附录：落球法测定液体在不同温度的粘度实验目的：1. 用落球法测量不同温度卜黑麻油的粘度2. 了解PID温度控制的原理3. 练习用停表记时，用螺旋测微器测r径实验仪器*变温粘度测彊仪，ZKY-PID温控实於仪，停表，螺旋测微器，钢球若F实验原理：1. 落球法测定液体的粘度1个在静止液体中卜落的小球受到車力、浮力和粘滞阻力3个力的作用，如果小球的速 度v很小，II液体可以看成在备方向上都是无限广阔的，则从流体力学的基本方程町以导出 表示粘滞阻力的斯托克斯公式：F =3w(vd(1)式中d为小球

12、直径。由于粘滞阻力与小球速度v成正比，小球在下落很短_段距 离后(参见附录的推导)，所受3力达到平衡，小球将以V。匀速下落，此时冇： 存 d"(p po)g = 37npod(2)(2)式中p为小球密度，po为液体密度。由(2)式可解出粘度1的衷达式：h =(p pE18v0本实验屮，小球在直径为D的玻W1' F落，液体在各方向无限广阔的条件不满足，此 时粘滞阻力的表达式可加修正系数(l+2.4d/D),而(3)式可修正为：(P-PE°(l + 24d/D)半小球的密度较人，苴径不是太小，而液体的粘度值乂较小时，小球在液体屮的半衡速 度V。会达到较人的值，奥西思果尔

13、斯公式反映出了液体运动状态対斯托克斯公式的影响：31QF = 37nv0J(l+Re一一Re'+L )(5)0 16 1080其中，Rc称为雷诺数，是农征液体运动状态的无最纲参数。(6)Re二dp。/T|当Rc小于0时.可认为(1入(4)式成立。当O.lvRcvl时，应考虑(5)式中1级修 正项的影响，当Re大于1时，还须考农高次修正项。考点(5)式屮1级修正项的影响及玻璃管的影响后，粘度川町表示为：11 十 3Re/16(P-Po)gd'1&%(1 十 24d/D)(l + 3Re/16)由T- 3Rc/16是远小于1的数,将l/(l+3Rc/16)按慕级数展开后近似

14、为l-3Re/16, (7) 式又可表示为：几=H_$«)dp。(8)10已知或测屋得到p、p。、D、d、v等参数后，由(4)式计算粘度T,再由(6)式计算 Rc,若需计算Rc的1级修正，则由(8)式计算经修正的粘度口。在国际单位制中，耳的单位是Pas (帕斯卡秒)，在厘米，克，秒制中，T的单位是P (泊)或cP (厘泊)，它们之间的换算关系是:(9)lPa-s= 10P= lOOOcP2. PID调节原理PID调节是自动控制系统中应用最为广泛的一种调布规律,自动控制系统的原理可用图 1说明。e (t)u (t)操作最图1 口动控制系统框图PDF 文件使用"pdfFacto

15、ry Pro"试用版木创建 www. fineprint, com, cn假如彼控駁与设定值Z间仃偏差e(t)二设定值-被控西 调廿器依据e(t)及一定的调节 规律输出调节信号U(t),执行单元按u(t)输出操作代至被控对象，使被控杲逼近直至最后 等于设定值。调节器是自动控制系统的指挥机构。在我们的温控系统屮，调节器采用PID调节,执行单元是由可控硅控制加热电流的加热 器，操作量是加热功率，被控对彖是水箱屮的水，被控鼠是水的温度。PID 调节器是按偏差的比例(proportional),枳分(integral),微分(differential)» 进行调节，其调节规律町表示

16、为：u(t) = Kp(10)式中第一项为比例调节.心为比例系数。第二项为枳分调节，*为枳分时间常数。第三 项为微分调节，T为微分时间常数。PID温度控制系统在调节过程屮温度随时间的一般变化关系可用图2农示，控制效呆町用稳定性，准确性和快速性评价。系统重新设定（或受到扰动）后经过-定的过渡过程能够达到新的平衡状态，则为稳定 的调节过程：若被控届反复振荡，英至振福越來越人，则为不稳定调节过程，不稳定调节过 卅足仃害而不能采用的。准确件町用被调最的动态偏差和静态偏差来衡最，二者越小，准确 性越高。快速性可用过渡时间衣示，过渡时间越短越好。实际控制系统屮，上述三方面指标 常常是互相制约，互相矛盾的，

17、应结合貝体耍求综合考虑。图2 PID调*系统过渡过程由图2町见，系统在达到设定值后一般 并不能立即稳定在设定值，而是超过设定值 后经一泄的过渡过程才車新稳泄，产生超调 的原因可从系统惯性，代感器滞肩和调节器 特性等方而予以说明。系统在升温过程中， 加热器温度总是高被控对線温度，在达到 设定值后,即使减小或切断加热功率,加热 器存储的热帚在-定时间内仍然会使系统升温，降温仃类似的反向过程，这称Z为系统的热 惯性。传感器滞后是指由r传感器本身热传丫特性或是由传感器安装位置的原因，使传感 器测锻到的温度比系统实际的温度在时间I滞后，系统达到设定值后调节器无法工即作出反 N,产生超调。对J：实际的控制

18、系统，必须依据系统特性合理整定PID参数，才能取得好的 控制效果。由（10）式可见，比例调节项输出与偏差成正比.它能迅速对偏差作出反应，并减小偏 差，但它不能消除静态偏差。这是因为任何高室温的稳态都需耍一定的输入功率维持，I何 比例调节项只有偏差存在时才输出调B So增加比例调节系数K,可减小静态偏差,但在系 统有热惯性和传感器滞后时，会使超调加人。积分调节项输出与偏差对时间的积分成正比，只要系统存在偏差，积分调节作用就不断 积累,输出调节量以消除偏差。积分调节作用缓慢,在时间上总是滞后于偏差信号的变化。 增加枳分作用（减小TJ可加快消除静态偏基，但会使系统超调加人，增加动态偏差，积分作 用太

19、强甚至会使系统出现不稳定状态。微分调节项输出与偏差对时间的变化率成正比，它阻碍温度的变化，能减小超调氐克 服振荡。在系统受到扰动时，它能迅速作出反应，减小调整时间，提高系统的稳定性。PID调节器的应用C仃一百多年的历史，理论分析和实践都衣明，应用这种调卩规律对 许多具体过程进行控制时，都能取得满意的结果。实验内容与步骤1. 检查仪器后面的水位管，将水箱水加到适当值平常加水从仪器顶部的注水孔注入。若水箱推空后第1次加水，应该用软竹从出水孔将 水经水泵加入水箱，以便排出水泵内的空气，避免水泵空转（无循坏水流出）或发出嗡鸣声。2. 设定PID参数若对PID调节原理及方法感兴趣，町在不同的升温区段仃意改变PID参数组合，观察 参数改变对调节过程的影响，探索最佳控制参数。廿只是把温控仪作为实验匸貝使用，则保持仪器设定的初始值，也能达到较好的控制效 果。3. 测定小球直径±（6）式及（4）式可见，当液体粘度及小