落球法測定液體在不同溫度的粘度

1、實驗11液體變溫粘滯系數(shù)的測量當液體內(nèi)各部分Z間有相對運動時，接觸面Z間存在內(nèi)摩擦力，阻礙液體的相對運動， 這種性質(zhì)稱為液體的粘滯性，液體的內(nèi)摩擦力稱為粘滯力。粘滯力的人小與接觸而而積以及 接觸而處的速度梯度成正比，比例系數(shù)H稱為粘度（或粘滯系數(shù)）。對液體粘滯性的研究在流體力學，化學化丁，醫(yī)療，水利等領域都仃廣泛的陶用，例如 在用管道輸送液體時要根據(jù)輸送液體的流吊，壓力差，輸送距離及液體粘度，設計輸送管道 的【徑。測駅液體粘度可用落球法，毛細管法，轉(zhuǎn)筒法等方法，英屮落球法適用丁測駅粘度較高 的液體。粘度的人小取決r液體的性質(zhì)與溫度，溫度升高，粘度將迅速減小。例如對r臣麻油， 在室溫附近溫度改變

2、i°c,粘度值改變約10%。因此，測定液體在不同溫度的粘度仃很人的 實際意義。實驗目的1. 熟悉液體粘度隨溫度改變的物理現(xiàn)彖。2. 了解PH-IV型變溫粘滯系數(shù)實驗儀的構(gòu)造及測量原理3. 用落球法測最不同溫度卜謹麻汕的粘度。實驗原理變溫式落針粘度計是采用屮長空圓柱體（針）在身測液體中垂自卜落，通過測彊針的收 尾速度確定液體的粘度。肖針在待測液體中沿容器中軸垂直卜落時，經(jīng)過一段時間，針的硫力與粘滯阻力以及 針上卜端面斥力差達到'卜衡，針變?yōu)閯蛩龠\動，這時針的速度稱為收尾速度，此速度町通過 測量針內(nèi)兩磁鐵經(jīng)過傳感器的時間間隔T求得。對r牛頓液體（粘度不隨切變應力變化而變化的液體）

3、，在恒溫條件卜求動力粘度n 的公式為：2 1+2=込gdx _ xdogA-)2嘰-丄山邑T)&(1)2CV4 耳耳一針的仃效密度.式屮，& 一容器內(nèi)筒半徑，&一落針外半徑.兀一針卜落收尾速度，g車力加速度 幾一液體密度.q液體粘度，It中壁和針長的修正系數(shù)為:(3)6 二 1-2.04t + 2.0U3氏中片二& %L 2R) 2%V =在實際情況卜，上而（1）式町作簡化，并考世到& ?。↙兩磁鐵同名磁極的間距，T兩磁鐵經(jīng)過傳感器的時間間隔）。則（1）式可以改寫為："譬 3-仇）（1 +等-）Q°gPDF 文件使用"pdf

4、Factory Pro"試用版木創(chuàng)建 www. fineprint, com, cnPDF 文件使用"pdfFactory Pro"試用版木創(chuàng)建 www. fineprint, com, cn在變溫條件卜，還必須考慮到液體帝度隨溫度的改變化二 Qo'1 + 0（* To）1（5）B可用實驗方法確定,大約P=O. 93X10_7°C, to=20°C, t為測試時的溫度。這樣將（5）式代入（D式，即口J計算粘度no因為將計算n的程序已固化在EPROM中,所以,利用單板機可直接將粘度n計算并 顯示。實驗儀器PHJV型變溫粘滯系數(shù)實驗儀，落針

5、，霍爾傳感器，溫度計，蘆麻油。1、粘度計本體：木體結(jié)構(gòu)如圖6-11-1所示用透明玻璃管制成的內(nèi)外兩個圓筒容器, 豎肖固定在水'卜機座上機朋底部仔調(diào)水半的螺絲。內(nèi)筒長550mm,內(nèi)筒內(nèi)苴徑約40mm,外筒 外直徑約60mm。內(nèi)筒盛放待測液體（如臣麻汕），內(nèi)外筒Z間通過控溫系統(tǒng)灌水，用以對內(nèi) 筒水浴加熱。外筒的一側(cè)上、卜端并仃一接II,用橡膠管與控溫系統(tǒng)的水泵相連，機座上樹111、揑媼系統(tǒng)2、特測液體3、水4、酒精溫度計5、扌空桿&落針仁霍爾傳感器圖6 - 11 - 1 PH-I貍落針式粘度計立一塊鋁介金支架，其I：裝有霍爾傳感器和取針裝置。闘筒容器頂部盒子上裝有投針裝置（發(fā) 射器

6、），它包括喇叭形的導環(huán)和帶水久磁鐵的拉桿。裝此導環(huán)為便r取針和讓針沿容器中軸 線卜落。用取針裝置把針宙容器底部提起，針沿導壞到達蓋子頂部被拉桿的磁鐵吸住。拉起 拉桿，針因重力作用而沿容器中軸線下落。2、落針：針如圖2所示，它是有機玻璃制成的空細長圓柱體，總長約為185mm，其外 半徑為R“直徑為d,約5. 7mm,何效密度為P 它的卜端為半球形上端為端関臺狀，便 拉桿相吸。內(nèi)部兩端裝令永久磁鐵，異名磁極相對。磁鐵的同名磁極間的距離為I (170mm), 內(nèi)部有配重的鉛條，改變鉗條的數(shù)量，可改變針的有效密度。3、霍爾傳感器它是靈敏度極高的開關型霍爾傳感器.做成圓柱狀，外部仃螺紋，町用螺"

7、;固丄在儀器 本體的鋁板上。輸出信號通過屏蔽電纜、航空插頭接到單板計時器上，其電路圖如圖6-11-3 所示。傳感器由5VH流電源供電，每當磁鐵經(jīng)過霍爾傳感器前端時，傳感器I!卩輸出個矩 形脈沖，同時仃LED (發(fā)光二極管)指示。圖 6-11-34、單板計時器以單板計時器為基礎的SD-A熨多功能亳秒計用以計時和處理數(shù)據(jù)，碩件采用MCS-51 系列微處理芯片，配仃并行接【I,驅(qū)動電路，輸入由4X4鍵盤實現(xiàn)。顯示為六個數(shù)碼管， 軟件尚化在276 IEPR0M中，銀爾傳感器產(chǎn)生的脈沖經(jīng)整形后，從航空插廉輸入單板機，由計 時器完成兩次脈沖Z間的計時，接收參數(shù)輸入，并將結(jié)果計算和顯示出來。5、控溫系統(tǒng)控溫

8、系統(tǒng)由水泵、加熱裝置及控溫裝置組成。微空水泵運轉(zhuǎn)時，水流自粘度計木體的底 部流入，自頂部流出，形成水循環(huán)，對待測液體進行水浴加熱，加熱功率為100W.并通過 控溫裝置的調(diào)弋,達到預定溫度。待測液體的溫度則用srjpp的灑稻溫度計測屆。實驗內(nèi)容及步驟1. 安裝儀器。將儀器本體的橡皮管安裝在控溫系統(tǒng)上，卜面的橡皮管接出水孔，上面 的橡皮符接入水孔。用漏斗向水箱注滿水，使水位達到水位管的刻線處。然后將霍爾傳感器 安裝在粘度計的鋁板卜.，讓探頭與圓筒匝直，并盡杲接近閲筒。傳感器的輸出電纜接到控溫 機箱后面板上的航空插座上。將待測液體注滿容器，再將孟子加在容器上。2. 加熱液體。接通控溫系統(tǒng)的電源，按卜

9、-控溫按鈕，啟動水泵，將溫度控制器開關調(diào) 到某一溫度，對待測液體水浴加熱，到達設定溫度后，紅色指示燈亮進行保溫。由丁熱慣性， 需待一段時間后才能達到平衡。3. 用游標卡尺測量針的直徑和長度L,計算體積V,用天平稱量針的質(zhì)量m,從而求出 針的仃效密度P S=m/Vo崑麻油密度Pl宙公式(5)計算預定溫度卜一其密度。4. 取下容器蓋子，將針放入液體中，然后蓋上蓋子。按控溫機箱上的復位鍵，顯示“PH-2”，表示已經(jīng)進入復位狀態(tài)。按2鍵，顯示“H” 或“L”表示毫秒計進入計時待命狀態(tài)。PDF 文件使用"pdfFactory Pro"試用版木創(chuàng)建 www. fineprint, co

10、m, cn5. 將投針裝置的磁鐵拉起，讓針落卜，數(shù)顯表顯示時間(單位為毫秒)，按A鍵提示 修改參數(shù)，第次顯示落針的仃效密度，第二次按A鍵顯示裁麻汕的仃效密度，第三次按A 鍵顯示該設定溫度下的液體粘度。6. 用取針裝置將針拉起，重復測帚：5次。7. 設定其他溫度，繼續(xù)加熱液體測泄該溫度卜的液體粘度，做粘度與溫度關系曲線。 各參量值：針有效密度 Ps = 2260 Kg/m覽麻油密度 P i = 950 Kg/mJ(t=20°C)注意事項1. 應讓針沿圓筒中心軸線卜-落，在針卜落過程中應保持豎直狀態(tài)。2. 用取針裝置將針拉起掛在容器上端后，由液體受到擾動，處不穩(wěn)定狀態(tài)，應稍 待片刻再將針

11、投下,進行測量。3. 取針裝置將針拉起并懸掛后，應將取針裝置上的磯鐵旋轉(zhuǎn)離開容器以免對針卜一落造 成影響。附錄：落球法測定液體在不同溫度的粘度實驗目的：1. 用落球法測量不同溫度卜黑麻油的粘度2. 了解PID溫度控制的原理3. 練習用停表記時，用螺旋測微器測r徑實驗儀器*變溫粘度測彊儀，ZKY-PID溫控實於儀，停表，螺旋測微器，鋼球若F實驗原理：1. 落球法測定液體的粘度1個在靜止液體中卜落的小球受到車力、浮力和粘滯阻力3個力的作用，如果小球的速 度v很小，II液體可以看成在備方向上都是無限廣闊的，則從流體力學的基本方程町以導出 表示粘滯阻力的斯托克斯公式：F =3w(vd(1)式中d為小球

12、直徑。由于粘滯阻力與小球速度v成正比，小球在下落很短_段距 離后(參見附錄的推導)，所受3力達到平衡，小球?qū)⒁訴。勻速下落，此時冇： 存 d"(p po)g = 37npod(2)(2)式中p為小球密度，po為液體密度。由(2)式可解出粘度1的衷達式：h =(p pE18v0本實驗屮，小球在直徑為D的玻W1' F落，液體在各方向無限廣闊的條件不滿足，此 時粘滯阻力的表達式可加修正系數(shù)(l+2.4d/D),而(3)式可修正為：(P-PE°(l + 24d/D)半小球的密度較人，苴徑不是太小，而液體的粘度值乂較小時，小球在液體屮的半衡速 度V。會達到較人的值，奧西思果爾

13、斯公式反映出了液體運動狀態(tài)対斯托克斯公式的影響：31QF = 37nv0J(l+Re一一Re'+L )(5)0 16 1080其中，Rc稱為雷諾數(shù)，是農(nóng)征液體運動狀態(tài)的無最綱參數(shù)。(6)Re二dp。/T|當Rc小于0時.可認為(1入(4)式成立。當O.lvRcvl時，應考慮(5)式中1級修 正項的影響，當Re大于1時，還須考農(nóng)高次修正項?？键c(5)式屮1級修正項的影響及玻璃管的影響后，粘度川町表示為：11 十 3Re/16(P-Po)gd'1&%(1 十 24d/D)(l + 3Re/16)由T- 3Rc/16是遠小于1的數(shù),將l/(l+3Rc/16)按慕級數(shù)展開后近似

14、為l-3Re/16, (7) 式又可表示為：幾=H_$«)dp。(8)10已知或測屋得到p、p。、D、d、v等參數(shù)后，由(4)式計算粘度T,再由(6)式計算 Rc,若需計算Rc的1級修正，則由(8)式計算經(jīng)修正的粘度口。在國際單位制中，耳的單位是Pas (帕斯卡秒)，在厘米，克，秒制中，T的單位是P (泊)或cP (厘泊)，它們之間的換算關系是:(9)lPa-s= 10P= lOOOcP2. PID調(diào)節(jié)原理PID調(diào)節(jié)是自動控制系統(tǒng)中應用最為廣泛的一種調(diào)布規(guī)律,自動控制系統(tǒng)的原理可用圖 1說明。e (t)u (t)操作最圖1 口動控制系統(tǒng)框圖PDF 文件使用"pdfFacto

15、ry Pro"試用版木創(chuàng)建 www. fineprint, com, cn假如彼控駁與設定值Z間仃偏差e(t)二設定值-被控西 調(diào)廿器依據(jù)e(t)及一定的調(diào)節(jié) 規(guī)律輸出調(diào)節(jié)信號U(t),執(zhí)行單元按u(t)輸出操作代至被控對象，使被控杲逼近直至最后 等于設定值。調(diào)節(jié)器是自動控制系統(tǒng)的指揮機構(gòu)。在我們的溫控系統(tǒng)屮，調(diào)節(jié)器采用PID調(diào)節(jié),執(zhí)行單元是由可控硅控制加熱電流的加熱 器，操作量是加熱功率，被控對彖是水箱屮的水，被控鼠是水的溫度。PID 調(diào)節(jié)器是按偏差的比例(proportional),枳分(integral),微分(differential)» 進行調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)規(guī)律町表示

16、為：u(t) = Kp(10)式中第一項為比例調(diào)節(jié).心為比例系數(shù)。第二項為枳分調(diào)節(jié)，*為枳分時間常數(shù)。第三 項為微分調(diào)節(jié)，T為微分時間常數(shù)。PID溫度控制系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程屮溫度隨時間的一般變化關系可用圖2農(nóng)示，控制效呆町用穩(wěn)定性，準確性和快速性評價。系統(tǒng)重新設定（或受到擾動）后經(jīng)過-定的過渡過程能夠達到新的平衡狀態(tài)，則為穩(wěn)定 的調(diào)節(jié)過程：若被控屆反復振蕩，英至振福越來越人，則為不穩(wěn)定調(diào)節(jié)過程，不穩(wěn)定調(diào)節(jié)過 卅足仃害而不能采用的。準確件町用被調(diào)最的動態(tài)偏差和靜態(tài)偏差來衡最，二者越小，準確 性越高。快速性可用過渡時間衣示，過渡時間越短越好。實際控制系統(tǒng)屮，上述三方面指標 常常是互相制約，互相矛盾的，

17、應結(jié)合貝體耍求綜合考慮。圖2 PID調(diào)*系統(tǒng)過渡過程由圖2町見，系統(tǒng)在達到設定值后一般 并不能立即穩(wěn)定在設定值，而是超過設定值 后經(jīng)一泄的過渡過程才車新穩(wěn)泄，產(chǎn)生超調(diào) 的原因可從系統(tǒng)慣性，代感器滯肩和調(diào)節(jié)器 特性等方而予以說明。系統(tǒng)在升溫過程中， 加熱器溫度總是高被控對線溫度，在達到 設定值后,即使減小或切斷加熱功率,加熱 器存儲的熱帚在-定時間內(nèi)仍然會使系統(tǒng)升溫，降溫仃類似的反向過程，這稱Z為系統(tǒng)的熱 慣性。傳感器滯后是指由r傳感器本身熱傳丫特性或是由傳感器安裝位置的原因，使傳感 器測鍛到的溫度比系統(tǒng)實際的溫度在時間I滯后，系統(tǒng)達到設定值后調(diào)節(jié)器無法工即作出反 N,產(chǎn)生超調(diào)。對J：實際的控制

18、系統(tǒng)，必須依據(jù)系統(tǒng)特性合理整定PID參數(shù)，才能取得好的 控制效果。由（10）式可見，比例調(diào)節(jié)項輸出與偏差成正比.它能迅速對偏差作出反應，并減小偏 差，但它不能消除靜態(tài)偏差。這是因為任何高室溫的穩(wěn)態(tài)都需耍一定的輸入功率維持，I何 比例調(diào)節(jié)項只有偏差存在時才輸出調(diào)B So增加比例調(diào)節(jié)系數(shù)K,可減小靜態(tài)偏差,但在系 統(tǒng)有熱慣性和傳感器滯后時，會使超調(diào)加人。積分調(diào)節(jié)項輸出與偏差對時間的積分成正比，只要系統(tǒng)存在偏差，積分調(diào)節(jié)作用就不斷 積累,輸出調(diào)節(jié)量以消除偏差。積分調(diào)節(jié)作用緩慢,在時間上總是滯后于偏差信號的變化。 增加枳分作用（減小TJ可加快消除靜態(tài)偏基，但會使系統(tǒng)超調(diào)加人，增加動態(tài)偏差，積分作 用太

19、強甚至會使系統(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)。微分調(diào)節(jié)項輸出與偏差對時間的變化率成正比，它阻礙溫度的變化，能減小超調(diào)氐克 服振蕩。在系統(tǒng)受到擾動時，它能迅速作出反應，減小調(diào)整時間，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。PID調(diào)節(jié)器的應用C仃一百多年的歷史，理論分析和實踐都衣明，應用這種調(diào)卩規(guī)律對 許多具體過程進行控制時，都能取得滿意的結(jié)果。實驗內(nèi)容與步驟1. 檢查儀器后面的水位管，將水箱水加到適當值平常加水從儀器頂部的注水孔注入。若水箱推空后第1次加水，應該用軟竹從出水孔將 水經(jīng)水泵加入水箱，以便排出水泵內(nèi)的空氣，避免水泵空轉(zhuǎn)（無循壞水流出）或發(fā)出嗡鳴聲。2. 設定PID參數(shù)若對PID調(diào)節(jié)原理及方法感興趣，町在不同的升溫區(qū)段仃意改變PID參數(shù)組合，觀察 參數(shù)改變對調(diào)節(jié)過程的影響，探索最佳控制參數(shù)。廿只是把溫控儀作為實驗匸貝使用，則保持儀器設定的初始值，也能達到較好的控制效 果。3. 測定小球直徑±（6）式及（4）式可見，當液體粘度及小