实验3变温法及旋转法测定液体粘滞系数.doc

实验三变温法及旋转法测定液体粘滞系数仪器概述变温式落针粘度计是在智能型落针粘度计的基础上研制的，用以研究液体的粘度（粘滞 系数）随温度变化的关系中空长圆柱体（针）在待测液体中垂直下落，通过测量针的收尾 速度确定粘度采用霍尔传感器和多功能毫秒计（单片机讣时器）测量落针的速度并将粘 度显示出来对待测液体进行水浴加热，通过控温装置，达到预定的温度巧妙的取针装置 和投针装置，使测量过程极为简便既适应于牛顿液体，乂适应于非牛顿液体，还可测定液 体密度本仪器既可供大专院校做教学实验，又可供厂矿测量液体的密度仪器结构仪器外形示意图（如图1）所示由本体、落针、霍尔传感器，单片机计时器和控温系统 五部分组成图11. 粘度计本体本体结构如图2所示用透明玻璃管制成的内外两个圆筒容器，竖直固定在水平机座上, 机座底部有调水平的螺丝内筒长550mm,内筒内直径（2RJ约40mm,外筒外直径约60mm 内筒盛放待测液体（篦麻油），内外筒之间通过控温系统灌水，用以对内筒水浴加热外筒的 一侧上、下端各有一接口，用橡胶管与控温系统的水泵相连机座上竖立一块铝合金支架， 其上装有霍尔传感器和取针装置圆通容器顶部盒子上装有投针装置（发射器）它包括喇叭 形的导环和带永久磁铁的拉杆。

装此导环为便于取针和让针沿容器中轴线下落用取针装置 把针山容器底部提起，针沿导环到达盖子顶部，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-针针如图3所示，它是有机玻璃制成的空细长圆柱体，总长为L （约185mm）,其外半径为 直径为d,约5.7mm,有效密度为P s，它的下端为半球形，上端为圆台形，便于拉杆相吸内部两端装有永久磁铁，异名磁极相对磁铁的同名磁极间的距离为H （170mm）,内部有配 重的铅条，改变铅条的数量，可改变针的有效密度Ps1.水泵待测液体水洒精温度计 控杆落针单片机汁时器图2图3磁铁橡胶管铅条3、霍尔传感器它是灵敬度极高的开关型霍尔传感器，做成圆柱状，外部有螺纹，可用螺母固定在仪器 本体的铝板上输出信号通过屏蔽电缆、航空插头接到单板机汁时器上其电路方框图如图 4所示传感器曲5V直流电源供电（来自单片机计时器），外壳用非磁性金属材料（铜）封 装，每当磁铁经过霍尔传感器前端时，传感器即输出一个矩形脉冲，同时有LED （发光二极 管）指示这种磁传感器的使用，为透明液体的测量带来方便霍尔传感器有常开、常闭两 种类型，本仪器具有自动识别功能，两种霍尔传感器都适应本仪器。

图44、 单片机计时器以单片机为基础的毫秒计用以计时和处理数据，硬件釆用MCS-51系列微机处理芯片， 软件固化在EPROH中，霍尔传感器产生的脉冲经整形后，从航空插座输入单片机，山计时器 完成两次脉冲之间的计时，可以接受参数输入，并将结果计算和显示出来其面板如图5所 示5、 控温系统控温系统由水泵、加热装置及控温装置组成微型水泵运转时，水流自粘度计本体的底 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 温装置的调节，达到预定温度待测液体的温度直接由数码显示图5仪器工作原理当针在待测液体中沿容器中轴垂直下落时，经过一段时间，针所受重力与粘滞阻力以及 针上下端压力差达到平衡，针变为匀速运动，这时针的速度称为收尾速度，此速度可通过测 量针内两磁铁经过传感器的时间间隔T求得对于牛顿液体，在恒温条件下，求动力粘度n的公式为：g*R22( P S- P t) n 二 2*v...l+2/3Lr水 ZdnRi/RyD/g.Lr) ” (LnR：/R2-l) ⑴式中，R1—容器内筒半径，R：—落针外半径，V°o—针下落收尾速度，名一重力加速度，ps- 针的有效密度，卩’一液体密度，n—液体粘度，其中壁和针长的修正系数为：Cf1-2. 04K+2. 09K-0. 95K5 (2)其中K二&/R：L「二(L-2R：) /2R：在实际情况下，上面（1）可作简化，并考虑到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ORr-Ri2Rl2+R22则（1）式可改写为：g*R?2t* (ps-pt) (1+2/3Lt) * (LnRi/R：-在变温条件下，还必须考虑到液体密度随温度的改变P t = p o/[l+P （t+to） ] （5）0值可用实验方法确定，大约P=0. 93X107°CP o~ P 2ox：963kg/m', to二20 C这样，将（5）式代入t。

1）式，即可计算粘度n因为将计算n的程序已固化在EPROM中，所以，利用单板机可将粘度nil•算并显示，实现了 智能化安装2. 将仪器本体放在平整的桌面上，取下容器盖子，将待测液体（如跑麻油）注满容器（务 必注满！）再将盖子加在容器上，用底脚螺丝可调节粘度计本体，通过水准仪观察平台是 否水平，即圆筒容器是否垂直3. 将仪器本体的橡皮管连接到控温系统上下面的橡皮管接控温系统后面板上的出水孔， 上面的橡皮管接入水孔用漏斗往水箱内注水，加水完毕，经检查确认没有渗漏后，擦 干仪器及机身4. 将霍尔传感器安装在粘度计•的铝板上，让探头与圆筒容器垂直，并尽量接近圆筒传感 器的输出电缆接到功能毫秒计的航空插座上使用方法5. 研究液体粘度随温度的变化1） 接入仪器电源，打开电源开关，仪器显示’PH2'以及温度数值2） 加热液体：打开控温开关，将温控器调到某一温度，（例如高于室温5°C）此时红色指示 灯亮，对待测液体进行水浴加热，到达设定温度后，指示灯熄灭进行保温，111于热惯性, 需待片刻即可达到平衡稳定3） 用游标卡尺测量针的直径，用米尺测量针的长度L,计算针的体积V （用量筒直接测量针 的体积即可）。

用天平测量针的质量m,从而求出针的有效密度Ps=m/vo4） 用比重计测量液体的密度若无比重计，由实验室给出或根据公式（5）算出预 定温度下的液体密度）5） 取下容器上端的盖子，将针放入液体中，然后盖上盖子用取针装置将针拉起6） 按仪器面板上的复位键，显示“PH2”，表示毫秒计进入复位状态7） 按“2”键，显示H,表示毫秒计进入计时待命状态8） 将投针装置的磁铁拉起，让针落下，稍等片刻，亳秒计显示时间（单位：毫秒）按A键 将提示修改参数，第三次按A键显示该设定温度下的液体粘度9） 用取针装置将针拉起，重复测量10） 实验者还可使用仪器上计时的“7”键，启动电子秒表功能，测定针下落的时间，与上述 计时进行核对11） 设定其他温度，继续加热液体，测定该温度下液体的粘度，做粘度与温度关系曲线6. 测液体密度在某一温度下，在待测密度的液体中，先后将已知密度的两针（密度不同）投入，由于 液体粘度对两个针来说是一样的，所以在（4）式中消去粘度n,只余下液体密度P：是未知 的，将针的密度代入，可求得液体密度设1号针的密度为Psi，收尾速度为V“，2号针的密(6)(7)度为5,速度为％,则液体密度为:1 —他/召）因为Vu=l/ti, Vt2=l/t2,则（6）式可改写为丿-（亿2/亿1）心/“）（7）式中计算液体密度的公式。

注意事项1. 应让针沿圆筒中心轴线下落2. 落针过程中，针应保持竖直状态，若针头部偏向霍尔探头，数据偏大，若针尾部偏向霍 尔探头，数据偏小3. 用取针装置将针拉起悬挂在容器上端后，山于液体受到扰动，处于不稳定状态，应稍待 片刻，再将针投下，进行测量4. 取针装置将针拉起并悬挂后，应将取针装置上的磁铁旋转，离开容器，以免对针的下落 造成影响5. 建议实验者先在复位后用计停键手动测量落针时间，然后用霍尔探头作自动测量，训练 实验技巧6. 取针和投针时均需小心操作，以免把仪器本体弄倒、打坏圆筒容器7. 液体温度指的是待测液体的整体温度，温度探头在玻璃管上方，故仪器显示的温度为上 方液体的温度，应在待测液体加热均匀后再进行实验仪器和器材粘度计本体、霍尔传感器、单片机计时器、控温系统、针（2只）用途NDJ-1旋转式粘度讣是用于测量液体的粘性阻力与液体的绝对粘度的新型仪器广泛适用于测左油脂、油漆、胶粘剂等各种流体的粘度10 lOOOOOmpa. s0. 1 lOOmpa. s1、2、3. 4号四种转子0号转子塑料、食品.药物、 主要技术规格测定范围:中粘度低粘度中粘度 低粘度转子转速：6转/分12转/分30转/分60转/分测量误差：±5% （牛顿液体）电 源：220V ± 10V 50Hz外形尺寸：300X300X450 mm净重：1.5 Kg （不包括支架）结构原理1. 如图所示，同步电机以稳左的速度旋转，连接刻度圆盘，再通过游丝和转轴带动转子旋转。

如果转 子未受到液体的阻力，则游丝，指针与刻度圆盘同速旋转，指针在刻度盘上指出的读数为“0”反 之，如果转子受到液体的粘滞阻力，则游线产生扭矩，与粘滞阻力抗衡最后达到平衡，这时也游丝 连接的指针在刻度圆盘上指示一宦的读数（即游丝的扭转角）将读数乘上特立的系数即得到液体 的粘度（mpa. s）2. 利用齿轮系统及离合器进行变速，由专用旋转旋钮操作，分四档转速，根据测定需要选择3. 按仪器不同规格附有0至4号五种转子，可根据被测液体粘度的高低随同转速配合选用4. 仪器装用指针固定控制机构，为精确读数用当转速较快时（30转/分，60转/分）无法在旋转时 进行读数，这时可按下指针控制杆，使指针固定下来，便于读数5. 保护架是为了稳主测量和保护转子用使用保护架进行测定能取得较稳左的测量结果6. 仪器可手提使用，配有固立支架及升降机构，一般在实验室中进行小量和左温测左时应固左1. 从包装箱中取岀存放箱、支架和支柱等2. 将支柱选入支架后部之螺孔中，并将支柱上的齿形而面向支架正前方，用扳头将六角螺母拧紧，防止 支柱转动3. 转动升降夹头的旋钮，检査升降夹头的灵活性和自锁性，发现过松或过紧现象可用内六角螺钉扳头调 正夹头调整夹头紧松螺钉，使能上下升降，偏紧为宜，以防装上粘度il•后产生自动坠落情况。

4. 打开存放箱，取出转子架，取出粘度计，并取下套在粘度讣上泡沫盖，把粘度计装在升降夹头上，用 手柄固左螺钉拧紧，接上电源，拿下指针控制杆上的橡皮筋，旋松仪器下端之黄色螺钉，取下黄色包 装套圈5. 调节水平调正螺钉，保持仪器水平操作使用1. 准备被测液体，置于直径不小于70mm的烧杯或直筒形容器中，准确地控制被测液体温度2. 将保护架装在仪器上（向右旋入装上，向左旋出卸下）3. 将选配好的转子旋入轴连接杆（向左旋入装上，向右旋出卸下）旋转升降钮，使仪器缓慢地下降， 转子逐渐浸入被测液体中，直至转子液而标志和液而平为止，调正仪器水平按下指针控制杆，开启 电机开关，转动变速旋钮，使所需转速向上，对准速度指示点，放松指针控制杆，使转子在液体中旋 转，经过多次旋转（一般20〜30秒）待指针趋于稳左或按规左时间进行读数）按下指针控制杆（注意：1・不得用力过猛2•转速慢时不可利用控制杆，直接读数）使读数固龙下来，再关闭电机，是 指针停在读数窗内读取读数*当电机关停后如指针不处于读数窗内时，可继续按住指针控制杆，反 复开启和关闭电机，经几次练习即能熟练掌握，使指针停于读数窗内，读取读数4. 当指针所指的数值过高或过低时，可变换转子和转速，务使读数约在30〜90格之间为佳。