新粘滞系数测量仪研制与实验研究

王 昊，杨晓红

(1.沈阳工程学院 新能源学院，辽宁 沈阳 110136；2.沈阳工程学院 基础教学部，辽宁 沈阳 110136)

液体的粘滞系数是表征液体反抗形变能力的重要的一项参数。液体粘滞系数的测量在生产生活、化学化工、工程医疗等众多领域中有着广泛的应用[1-3]，所以测量液体粘滞系数被列为《大学物理实验》中必修基础实验之一。在目前的《大学物理实验》教材中普遍采用落球法测量液体粘滞系数，此外还有毛细管法、转角法、泄流法等[4-8]。笔者经过多次探索与研究，设计并研制了一款新型粘滞系数测量仪器，该装置选用两个同轴透明亚克力管作为实验主体结构，配以浮标、双霍尔传感器等辅助测量仪器，很好地完成了液体粘滞系数测量任务。

1 新粘滞系数测量仪设计原理

图1 实验设计原理图

2 新粘滞系数测量仪结构与制作

新粘滞系数测量仪主要由实验演示部分和测量部分构成，如图2所示。

图2 装置的设计简图

演示部分：由两个外径分别为15.04 mm、20.20 mm透明亚克力管组成。

测量部分：霍尔测速仪其包括2个霍尔传感器，1个多功能数字毫秒仪，1个测速标志物——浮标(其由长40.04 mm、质量10.126 g塑料管两端各贴合一个小磁钢组成，如图3所示)；待测液体：蓖麻油；测量工具：游标卡尺、直尺、温度计、气压计。

图3 浮标实物图

3 实验及结果分析

3.1 实验及数据测量

3.1.1 实验准备

准备好透明亚克力管、浮标，做好清洁保证表面无污物，如图4所示。

图4 装置实物图

用电子天平分别测得内管质量M1，浮标质量M2及总质量m=M1+M2=90.733g和总重力G=mg(g取9.8N/kg)=0.889 183 4N；用游标卡尺测出透明亚克力管壁厚d1、两管外径d1、d2；将两个测速霍尔传感器并排固定放置并测出中心距d2；测出浮标长度l；用温度计测出蓖麻油温度14.0 ℃；用气压计测出当前空气大气压为1.004 9×105Pa，相关数据见表1。

表1 新粘滞系数测量仪相关参数

3.1.2 实验步骤

设浮标下落时其尾部经过第一个霍尔探头时开始计时即t0=0，并将数字毫秒仪预置次数设定为3。其中：

t1：为浮标尾部经过第二个霍尔探头时数字毫秒仪的读数

t1-t0：为浮标经过第一、第二两个探头之间距离所需时间

t2：为浮标头部经过第一探头时数字毫秒仪读数

t3：为浮标头部经过第二探头时数字毫秒仪读数

表2 浮标位置、时间、速度、平均速度、加速度实验数据

表3 重力、粘滞力、合力、粘滞系数实验数据

3.2 实验结果

3.2.1 通过查阅相关文献获得在温度14.0 ℃时蓖麻油粘滞系数理论值约为2.231Pa·s(可视为真值)。

表4 各段粘滞系数标准差、方差、相对误差

3.2.3 观察不同区间粘滞系数测量值与理论值，由关系图5可知，浮标下落经过中段(15.00～32.00)cm区间时，粘滞系数测量值最接近理论值，相对误差小于5%，故将该区间定义为测量标志区(测量区)。

图5 在不同区间粘滞系数测量值与理论值的关系

3.3 实验误差分析

3.3.1 非测量区带来的误差

上述实验结果表明采用该测量仪测量液体粘滞系数时一定选内管在(15.00～32.00cm)区间下落时进行测量，在该区域内流体分布较均匀测量值接近真值相对误差最小。在(0.00～15.00)cm区间测量时流体速度从零开始突然增加这种突变导致流体加速度，粘滞力无法准确测量。在(15.00～47.00)cm区间测量时，重力作用使管内大部分液体向下沉积导致液体分布不均匀，下段管壁内存在较多液体从而增大粘滞力使误差增大。

3.3.2 霍尔测速仪测速时带来误差

实验中用反应灵敏，抗干扰能力强的两个霍尔传感器和数字毫秒仪代替人工抄表计时大大减小实验误差。但在实验操作过程中，一定将两个霍尔传感器间距调整好，确保内管下落时浮标两端小磁钢恰好在两霍尔传感器探头的感应区内，否则将降低实验成功率，使误差增大[10]。

3.3.3 内外亚克力管不垂直带来的误差

实验中必须保持内外亚克力管调至竖直状态。如果内管或外管倾斜，即待测液体实际下落路程变长，测量时间也变长。这两点都会使粘滞阻力变大，结果测量的粘滞系数变大。

3.3.4 两管间隙间待测液体不均匀带来的误差

实验中在内外管间隙间加入待测液体时，一定要使其充分浸润并均匀充满间隙，否则待测液体内可能会含有气泡直接导致液体下落时阻力增大，下落时间变长，粘滞系数变大。

3.3.5 装置清洁度带来误差

长时间使用该装置会使两管壁间粘有灰尘和油渍等杂质，实验前要用酒精浸泡后擦拭干净再进行实验以减小实验误差。

4 结 语

实验证明：基于粘滞定律设计制作的新粘滞系数测量仪是可行的。采用该测量仪测量液体粘滞系数时，一定保证内外两管清洁并竖直放置；待测液体在两管间隔内均匀充满并充分浸润；霍尔测速仪两个探头选在测量区内适当的位置，确保浮标两侧的小磁钢在霍尔探头的感应范围之内。此外，实验时一定在优选的测量区内进行。满足以上实验条件，定会提高粘滞系数的测量精度，相对误差可控制在5%之内，达到满意实验效果。

新粘滞系数测量仪设计思路新颖，仪器制作简单、选材容易，实验操作便携，观察实验现象直观，值得尝试与推荐。