賈曉倩，張凱悅，李秉陽，陳英杰

(曲阜師范大學(xué) 物理工程學(xué)院，山東 曲阜 273165)

液體黏度，是描述表征黏滯性強(qiáng)弱的物理量[1]. 黏度的測定，對于預(yù)測產(chǎn)品生產(chǎn)過程的工藝控制、輸送性以及產(chǎn)品在使用時的操作性，具有重要的指導(dǎo)價值，在印刷、醫(yī)藥、石油、汽車等諸多行業(yè)有著重要的意義. 測量液體黏度有多種方法，如落球法[2-4]、升球法[5]、轉(zhuǎn)筒法[6]、毛細(xì)管法[7]等. 對于黏度較大的液體如蓖麻油、甘油，常采用落球法測量. 在落球法實驗中，對小球下落時間可用手動秒表計時、光電門計時[8]、CCD拍照計時[9]等，但這些手段只適用于透明液體的測量. 為了克服現(xiàn)有實驗裝置無法測量非透明液體黏度的不足，該改進(jìn)實驗引入了高靈敏度的集成霍爾開關(guān)型傳感器，并與自制的計時器相結(jié)合，實現(xiàn)了感應(yīng)-計時功能.

1 實驗原理

沿容器中心軸線方向，質(zhì)量為m、體積為V的小磁球下落在密度為ρ的黏性液體中，隨速度的增加黏滯阻力變大，重力、浮力和黏滯力很快平衡，加速度為0，小球?qū)⒁院愣ㄋ俣葀勻速向下運動，根據(jù)理論公式可求得液體黏度為

其中，d是小球的直徑,D為容器內(nèi)徑，H為液柱高度,L為小球勻速下落的距離，t為小球下落L距離所用時間,λ1=2.40，λ2=1.65(復(fù)旦大學(xué)物理實驗教學(xué)中心提供數(shù)據(jù)).

2 傳統(tǒng)黏度實驗的弊端

傳統(tǒng)的黏度測定實驗一般是通過肉眼觀察和人工秒表計時，找到小球勻速下落的一段距離并測量小球在該距離下落的時間. 由于存在視差和反應(yīng)誤差，對小球下落時間測量不精準(zhǔn)，而且需要較高的容器，對待測液體需求量大，實驗成本高. 根據(jù)實驗原理，只有當(dāng)小球沿容器的中心軸線下落時，小球球面的液層與周圍其他液層的相對速度才會相同，但在傳統(tǒng)的實驗過程中，實驗者需根據(jù)經(jīng)驗將小球在容器口的中心位置釋放，很難精確地讓小球從容器的中心軸線上下落，實驗成功率低，另外，實驗裝置沒有密封，實驗材料易污染變質(zhì).

3 改進(jìn)方法

改進(jìn)的實驗裝置如圖1所示，待測液體裝在細(xì)長的有機(jī)玻璃管中，管上套有A和B結(jié)構(gòu)組成相同的感應(yīng)板，感應(yīng)板上有便攜式水平儀(可對其調(diào)水平). 每個感應(yīng)板上固定有4塊電路板，每塊電路板上裝有高靈敏度的集成霍爾開關(guān)傳感器和LED感應(yīng)指示燈，其中1塊電路板上有1片邏輯與門芯片. 4個集成霍爾開關(guān)傳感器緊貼管壁邊沿排列在同一圓周上，間隔90°，提高測量準(zhǔn)確度. 實驗中的小球為強(qiáng)磁性小球(材料為釹鐵硼)，當(dāng)磁球經(jīng)過感應(yīng)板時，只要4個傳感器中的任意1個感應(yīng)到磁場即輸出低電平，其對應(yīng)的LED指示燈會熄滅1次. 4個傳感器的信號均經(jīng)過1片邏輯與門輸出，驅(qū)動計時器工作. 感應(yīng)部分電路如圖2所示.

圖1 實驗裝置

圖2 感應(yīng)部分線路圖

自行設(shè)計并制作的計時器電路圖如圖3所示. 該計時器的系統(tǒng)程序由主程序、定時中斷服務(wù)程序、外部中斷0服務(wù)程序和外部中斷1服務(wù)程序4部分組成，結(jié)合STC89C51單片機(jī)、4位共陰極數(shù)碼管、譯碼器等，能實現(xiàn)0～99.99 s的計時功能，計時精度為0.01 s. 計時器的P3口外接感應(yīng)板A，B和無鎖開關(guān)，分別控制計時的開始、暫停和復(fù)位.

圖3 計時器電路圖

為了使小球精準(zhǔn)地沿容器的中心軸線下落且避免拉桿移走過程中方向偏差對小球造成的影響，制作了如圖4所示的模型蓋. 與玻璃管口相匹配的圓蓋恰好卡在模型上，模型的中心軸線上穿過鐵質(zhì)拉桿，與蓋子的中心相接觸. 實驗時，被待測液體浸潤過的磁性小球通過鐵桿吸附在蓋子的反面中心處，將鐵桿沿模型豎直拉起，小球失去磁力作用后，沿著容器的中心軸線下落，進(jìn)入液面. 在非實驗階段，將蓋子留在管口，防塵防污染，提高實驗材料利用率. 另外，在回收小球時，如果直接伸入液面會對待測液體造成污染，因為實驗小球為磁性球，可以借助鐵塊沿玻璃管外壁吸附出小球.

圖4 帶鐵質(zhì)拉桿的模型蓋

供電部分，由于計時器和電路板上的電子器件都需要低值直流電壓，因此制作了LM317可調(diào)穩(wěn)壓電源，該裝置可將220 V的交流電壓經(jīng)過電源變壓器、整流電路、濾波器和穩(wěn)壓電路變壓為3～12 V直流電壓. 電源電路圖如圖5所示.

在投入實際實驗教學(xué)使用時，可將裝置整合為3部分(裝置設(shè)計如圖6所示)：

1)容器架(感應(yīng)板可上下自由移動，容器套在2板上的中心孔里，再用容器夾固定)；

2)單片機(jī)計時器；

3)可調(diào)直流電源.

將本作品整合后制成的實驗裝置，既克服了傳統(tǒng)實驗室裝置的諸多弊端又具有搭建快捷、移動方便等優(yōu)勢，可廣泛應(yīng)用于各高校實驗室，替代原有液體黏滯系數(shù)測定實驗裝置.

圖5 電源電路圖

圖6 實驗裝置設(shè)計圖

4 實驗數(shù)據(jù)

實驗以蓖麻油和洗發(fā)液(乳白色非透明液體)為待測液體，測量其黏度.

4.1 透明液體黏度的測量

表1 蓖麻油溫度為29℃時小球的測量數(shù)據(jù)

由理論公式計算出蓖麻油的黏度為η=0.494 1 Pa·s，與其標(biāo)準(zhǔn)值[10](如表2所示)相比偏差Er=5.1%. 改變蓖麻油溫度，測量不同溫度下的黏度，測量結(jié)果如表3所示. 蓖麻油黏度隨溫度變化情況如圖7所示.

表2 不同溫度下蓖麻油黏度的標(biāo)準(zhǔn)

表3 不同溫度下蓖麻油的黏度測量結(jié)果

4.2 非透明液體黏度的測量

利用該裝置，用與上述實驗相同的方式，測量了非透明洗發(fā)液的黏度.

某洗發(fā)液的密度ρ=1.15×103kg/m3，溫度T=31 ℃，量筒直徑D=30.01 mm，液柱高度h=46 cm，小球質(zhì)量平均值m=1.3 g，勻速下落區(qū)間L=10 cm，平均下落時間t=15.638 s，測得洗發(fā)液黏度η=16.546 Pa·s.

5 結(jié)束語

相比傳統(tǒng)實驗人工視覺觀察小鐵球下落位置計時，該設(shè)計利用小磁球的磁信號通過集成霍爾開關(guān)傳感器轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號輸入自制的計時器來計時，避免了傳統(tǒng)實驗中存在的誤差，并實現(xiàn)了對透明和非透明液體的黏度均可以測量. 在容器頂部加裝中心帶鐵質(zhì)拉桿的蓋子，既能控制小球精準(zhǔn)的沿容器的中心軸線下落又能防塵防污染；不再需要高大的容器盛放待測液體，實驗成功率高，成本低. 在用落球法測量液體黏滯系數(shù)的同時融入集成霍爾開關(guān)實驗，應(yīng)用數(shù)字電路、模擬電路、單片機(jī)等方面的知識，在實際教學(xué)過程中，能激發(fā)學(xué)生探索興趣，引導(dǎo)學(xué)生多方位學(xué)習(xí).