王本陽(yáng)，毛曉芹，王新順，曲文葛，張立彬

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海) 理學(xué)院 光電科學(xué)系，山東 威海 264209)

在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防建設(shè)、環(huán)境保護(hù)、科學(xué)研究以及實(shí)驗(yàn)室工作中，經(jīng)常遇到液體黏度的測(cè)量問(wèn)題. 液體黏度的測(cè)量方法較多，如落球法[1-2]、升球法[3]、毛細(xì)管法[4]、激光衍射法[5]等，其中，落球法是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中簡(jiǎn)便易行、測(cè)量精確度較高且常被采用的方法. 該方法一般用于測(cè)量黏性大、有一定透明度的液體. 落球法中小球在液體中下落時(shí)間的常見(jiàn)測(cè)量方法有：手動(dòng)秒表測(cè)量、光電門(mén)測(cè)量[6]、CCD拍照測(cè)量[7]等. 對(duì)于非透明液體，以上測(cè)量時(shí)間的方法不再適用. 為了克服現(xiàn)有落球法測(cè)量非透明液體黏度的不足，本文設(shè)計(jì)將高靈敏度的集成霍爾開(kāi)關(guān)型傳感器引入到該實(shí)驗(yàn)中，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)具有測(cè)量精度高、直觀方便等優(yōu)點(diǎn).

1 實(shí)驗(yàn)裝置和原理

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，待測(cè)液體裝在帶mm刻度(0～40.0cm)的有機(jī)玻璃量筒中，量筒頂部有1個(gè)小蓋子，蓋子中心有一小孔，使小磁球下落時(shí)沿量筒的軸線. 量筒底部有可調(diào)水平的底座. 量筒上套有9cm×15cm的電路板A和電路板B，2塊電路板間距為20cm， 電路板上焊有電子元器件. 由帶5V電源的自動(dòng)計(jì)時(shí)器為電路板上的電子元器件供電，并自動(dòng)對(duì)小磁球從電路板A落到電路板B的距離計(jì)時(shí).

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖

電路板A的俯視圖如圖2所示，便攜式水平儀可以對(duì)電路板A調(diào)水平. 在電路板A上裝有4個(gè)高靈敏度的集成霍爾開(kāi)關(guān)傳感器，4個(gè)LED感應(yīng)指示燈以及1片邏輯與門(mén)芯片. 這里的4個(gè)集成霍爾開(kāi)關(guān)傳感器沿量筒的邊沿排列成圓形，間隔90°.

實(shí)驗(yàn)中的小球?yàn)閺?qiáng)磁性小球(材料為釹鐵硼). 該集成霍爾開(kāi)關(guān)傳感器由霍爾發(fā)生器、信號(hào)放大器、施密特觸發(fā)器、OC門(mén)、三極管等組成,它的正向工作點(diǎn)和釋放點(diǎn)的典型值分別為7×10-4T和5×10-4T. 當(dāng)小球經(jīng)過(guò)電路板A時(shí)，4個(gè)集成霍爾開(kāi)關(guān)傳感器中的任意1個(gè)感應(yīng)到了磁場(chǎng)后，其對(duì)應(yīng)的LED指示燈會(huì)熄滅一次. 磁場(chǎng)信號(hào)經(jīng)過(guò)集成霍爾開(kāi)關(guān)傳感器時(shí)產(chǎn)生的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、整形，輸出為高電平或低電平. 4個(gè)傳感器的信號(hào)均經(jīng)過(guò)1片邏輯與門(mén)芯片，最后輸出總的高電平或低電平來(lái)驅(qū)動(dòng)計(jì)時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí). 電路板B的電路與電路板A的電路類似. 電路板B上的傳感器感應(yīng)到磁性小球經(jīng)過(guò)時(shí)也輸出高電平或低電平來(lái)驅(qū)動(dòng)計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí). 此時(shí)計(jì)時(shí)器上會(huì)顯示出小球下落距離(電路板A到電路板B的距離)所用的時(shí)間t.

圖2 電路板A的俯視圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在落球法測(cè)量液體黏度的實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)斯托克斯定律，小球受到的黏滯力f為[8]

f=6πηvr,

(1)

式中，η為待測(cè)液體的黏度，r為小球半徑，v為小球運(yùn)動(dòng)速度. 最終可得液體的黏度為[9]

(2)

式中，ρ和ρ0分別為小球和液體的密度，g為重力加速度，d為小球的直徑，v0為實(shí)驗(yàn)條件下的終極速度，D為量筒的內(nèi)直徑，K為修正系數(shù)，這里取K=2.4. 終極速度v0可以通過(guò)測(cè)量有機(jī)玻璃量筒外事先選定的2個(gè)標(biāo)線a和b的距離s和小球經(jīng)過(guò)這段距離所用的時(shí)間t得到，即v0=s/t.

以蓖麻油(透明液體)和自制酸奶(非透明液體)為例，通過(guò)該方法來(lái)測(cè)量液體的黏度. 實(shí)驗(yàn)中，小球下落距離設(shè)置為s=20.00 cm，自制酸奶的密度為ρ01=1 150 kg/m3，蓖麻油的密度為ρ02=957 kg/m3，小球的密度為ρ=6 716 kg/m3,重力加速度為g=9.801 m/s2. 這里，量筒內(nèi)徑為27.83 mm，蓖麻油內(nèi)小球直徑為5.007 mm，自制酸奶內(nèi)小球直徑為7.913 mm，小球在蓖麻油和自制酸奶內(nèi)下落20.00 cm所用的時(shí)間分別為1.946 s和3.743 s. 由式(2)和誤差傳遞公式計(jì)算得到環(huán)境溫度為27 ℃時(shí)蓖麻油和酸奶的黏度分別為(0.54±0.01) Pa·s和(2.16±0.03) Pa·s. 蓖麻油在27 ℃時(shí)黏度的標(biāo)準(zhǔn)值為0.53 Pa·s，本文測(cè)量值的相對(duì)誤差約為1.9%.

3 結(jié)束語(yǔ)

利用釹鐵硼強(qiáng)磁小球作為測(cè)量中介，通過(guò)高靈敏度的集成霍爾開(kāi)關(guān)傳感器將磁性小球的磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，并經(jīng)過(guò)放大和整形后輸出2組數(shù)字電壓信號(hào)，該信號(hào)分別經(jīng)過(guò)2個(gè)邏輯與門(mén)芯片后分別驅(qū)動(dòng)計(jì)時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)和停止計(jì)時(shí)，實(shí)現(xiàn)了精確測(cè)量小球在一定距離內(nèi)下落的時(shí)間. 該實(shí)驗(yàn)裝置的優(yōu)勢(shì)在于：對(duì)透明和非透明液體的黏度均可以測(cè)量；將落球法測(cè)量液體的黏度實(shí)驗(yàn)和集成霍爾開(kāi)關(guān)實(shí)驗(yàn)有機(jī)地結(jié)合到一起，引入了數(shù)字電路方面的知識(shí)，拓展了落球法測(cè)量液體黏度實(shí)驗(yàn)中利用不同方法測(cè)量小球下落時(shí)間方面的知識(shí).

參考文獻(xiàn)：

[1] 代偉，楊曉暉. 落球法液體黏滯系數(shù)測(cè)定儀的改進(jìn)[J]. 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),2006,19(4):36-38.

[2] 王雪冬，劉平，王紅理，等. 多管黏滯系數(shù)測(cè)量?jī)x的改進(jìn)[J]. 大學(xué)物理，1997，16(4):20-21.

[3] 魏俊波. 用升球法測(cè)量液體的黏滯系數(shù)[J]. 紡織高?；A(chǔ)科學(xué)學(xué)報(bào)，2003，16(2):175-177.

[4] 張申余. 毛細(xì)管法測(cè)液體黏滯系數(shù)[J]. 物理實(shí)驗(yàn)，1991,11(5)：200-201.

[5] 劉香蓮，苗潤(rùn)才，李增生，等. 激光衍射法測(cè)量液體黏滯系數(shù)[J]. 應(yīng)用激光，2008，28(2):145-149.

[6] 張潞英，陳國(guó)杰，周紅仙，等. 液體黏滯系數(shù)測(cè)量原理分析及儀器研制[J]. 實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù),2011，9(5):183-186.

[7] 張海林，張愛(ài)軍. CCD 落球法液體黏滯系數(shù)測(cè)定儀[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2006，23(4):49-51.

[8] 楊亮，馬明，鄧勇，等. 用落球法測(cè)液體的黏滯系數(shù)實(shí)驗(yàn)中計(jì)時(shí)起點(diǎn)的確定[J]. 海南師范學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2005，18(3):241-243.

[9] 具翼，奎金哲. 確定液體黏滯系數(shù)(落球法)公式中的修正項(xiàng)系數(shù)[J]. 延邊大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，1995，21(4)：67-69.