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实验四液体粘滞系数的测定南京农业大学物理
6页1、实验四 液体粘滞系数的测定一、实验目的:1 用落球法测量不同温度下蓖麻油的粘滞系数;2 了解 PID 温度控制的原理;3 练习用秒表测量时间,用螺旋测微器测量直径。二、实验器材:变温粘度测量仪,ZKY-PID温控实验仪,秒表,螺旋测微器,游标卡尺、钢球若干。三、实验原理: 当固体在液体内部运动或液体内各部分之间有相对运动时,接触面之间存在内摩擦力,阻碍固体与液体或液体之间的相对运动,这种性质称为液体的粘滞性,液体的内摩擦力称为粘滞力。粘滞力的大小与接触面面积以及接触面处的速度梯度成正比,比例系数n称为粘滞系数(或粘度)。对液体粘滞性的研究在流体力学、化学化工、医疗、水利等领域都有广泛的应用,例如在用管道输送液体时要根据输送液体的流量、压力差、输送距离及液体粘滞系数,设计输送管道的口径。测量液体粘滞系数可用落球法、毛细管法、转筒法等方法,其中落球法适用于测量粘滞系数较高的液体,本实验采用落球法测量液体的粘滞系数。粘滞系数的大小取决于液体的性质与温度,温度升高,粘滞系数将迅速减小。例如对于蓖麻油,在室温附近温度每改变1C,粘滞系数值改变约 10%。因此,测定液体在不同温度的粘滞系数有很大的
2、实际意义,欲准确测量液体的粘滞系数,必须精确控制液体温度。1 落球法测定液体的粘滞系数一个在静止液体中下落的小球受到重力、浮力和粘滞阻力3个力的作用,如果小球的速度v很小,且液体可以看成在各方向上都是无限广阔的,则从流体力学的基本方程可以导出表示粘滞阻力的斯托克斯公式:(1)(1)式中d为小球直径。由于粘滞阻力与小球速度v成正比,小球在下落很短一段距离后(参见附录的推导),所受3力达到平衡,小球将以 v 匀速下落,此时有:0打胪(Q-疑)g = 3阿卩曲( 2 )式中P为小球密度,p 0为液体密度。由式可解出粘滞系数n的表达式:一瑪)鼾( 3)本实验中,小球在直径为D的玻璃管中下落,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(1+2.4d/D),而( 3)式可修正为:p-p)gd2 18v0(l + 2.4/Z)(4)已知或测量得到p、p、D、d、v等参数后,由(4)式计算粘滞系数n 。0在国际单位制中,n的单位是Pas (帕斯卡秒),在厘米克秒制中,n的单位是p (泊)或cP (厘泊),它们之间的换算关系 是:lPas = 10P =1000cP( 9 )2P
3、ID 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节规律,自动控制系统的原理可用图 4-1 说明。假如被控量与设定值之间有偏差e(t)=设定值-被控量,调节器依据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)输出操作量至被控对象,使被控量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。* T (温度)动态偏差静态偏差过渡时间-设定值t (时间)图2 PID调节系统过渡过程在我们的温控系统中,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,加热功率,被控对象是水箱中的水,被控量是水的温度。PID调节器是按偏差的比例(proportional),积分(integral),微分(differential),进行调节,其调节规律可表示为:10)式中第一项为比例调节,K为比例系数。第二项为积分调节,T为积分时间常数。第三项为微分调节,T为微分时间常数。PIDPID温度控制系统在调节过程中温度随时间的一般变化关系可用图4-2表示,控制效果可用稳定性,准确性和快速性评价。系统重新设定(或受到扰动)后经过一定的过渡过程能够达到新的平衡状态,则为稳定的
4、调节过程;若被控量反复振荡,甚至振幅越 来越大,则为不稳定调节过程,不稳定调节过程是有害而不能采用的。准确性可用被调量的动态偏差和静态偏差来衡量,二者越小,准确 性越高。快速性可用过渡时间表示,过渡时间越短越好。实际控制系统中,上述三方面指标常常是互相制约,互相矛盾的,应结合具体要 求综合考虑。由图4-2可见,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定的过渡过程才重新稳定,产生超调的原 因可从系统惯性,传感器滞后和调节器特性等方面予以说明。系统在升温过程中,加热器温度总是高于被控对象温度,在达到设定值后, 即使减小或切断加热功率,加热器存储的热量在一定时间内仍然会使系统升温,降温有类似的反向过程,这称之为系统的热惯性。传感器 滞后是指由于传感器本身热传导特性或是由于传感器安装位置的原因,使传感器测量到的温度比系统实际的温度在时间上滞后,系统达到 设定值后调节器无法立即作出反应,产生超调。对于实际的控制系统,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
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