本發(fā)明涉及一種粘滯系數(shù)測(cè)量裝置及其方法，特別是一種連續(xù)可變內(nèi)徑單管落球測(cè)量的粘滯系數(shù)測(cè)量裝置及其方法。

背景技術(shù)：

粘滯性是流體特有的物理性質(zhì)，粘滯系數(shù)是流體層流間的重要力學(xué)參數(shù)，與流流體的性質(zhì)、溫度和流速有關(guān)。當(dāng)液體流動(dòng)時(shí)，平行于流動(dòng)方向的各層流體速度都不相同，于是在各層之間就有摩擦力產(chǎn)生，這一摩擦力稱為粘滯力，它的方向平行于接觸面，其大小與速度梯度及接觸面積成正比，比例系數(shù)η稱為粘度，它是表征液體粘滯性強(qiáng)弱的重要參數(shù)。

液體的粘滯性的測(cè)量不僅有其物理意義，而且在物理學(xué)、化學(xué)化工、生物工程、醫(yī)療、航空航天、水利、機(jī)械潤滑和液壓傳動(dòng)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。

現(xiàn)有的測(cè)量液體粘度方法主要包括：泊肅葉法、轉(zhuǎn)筒法、阻尼法和落球法。落球測(cè)量法多指多管落球法，是將一組不同直徑的管子安裝在同一水平底板上,每個(gè)管子上均設(shè)有距離為某一定值的兩跟刻度線，管子內(nèi)裝有同種待測(cè)液體并且液體沒過上刻線適當(dāng)距離。通過測(cè)量小球下落經(jīng)過不同管子刻線所需時(shí)間，反推出理論上小球在無限廣闊的液體中經(jīng)過相同距離所需時(shí)間，求得收尾速度，進(jìn)而計(jì)算粘滯系數(shù)。

由以上內(nèi)容可知，現(xiàn)有的落球測(cè)量裝置需要多個(gè)實(shí)驗(yàn)管，占用空間大，并且較大直徑的實(shí)驗(yàn)管需要定做，成本更高。然而由于實(shí)驗(yàn)管為固定直徑，可以采集的數(shù)據(jù)仍然有限。

在采用普通測(cè)量裝置的測(cè)量方法中，每測(cè)一次數(shù)據(jù)便要更換一個(gè)實(shí)驗(yàn)筒，因此這種方法比較耗時(shí)，效率較低。由于普通裝置的實(shí)驗(yàn)筒數(shù)量較少，可以測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也較少，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果不精確。

因此，找到一種低成本、占用空間小和數(shù)據(jù)采集豐富的測(cè)量方式是目前本領(lǐng)域技術(shù)人員急需解決的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于，提供一種連續(xù)可變內(nèi)徑單管落球測(cè)量的粘滯系數(shù)測(cè)量裝置及其方法。本發(fā)明裝置具有占用空間小、成本低和數(shù)據(jù)采集豐富特點(diǎn)。采用本發(fā)明裝置的測(cè)量方法測(cè)量效率高，測(cè)量也更加精確。

本發(fā)明的技術(shù)方案：一種連續(xù)可變內(nèi)徑單管落球測(cè)量的粘滯系數(shù)測(cè)量裝置及其方法，包括筒壁，筒壁上設(shè)有緊箍帶，筒壁底部設(shè)有橡膠套；所述筒壁為卷制的矩形塑料片，筒壁卷制重合處形成內(nèi)層和外層，內(nèi)層上設(shè)有一組直角梯形狀內(nèi)突起，外層上設(shè)有一組與內(nèi)突起等大反向的外突起；所述筒壁上設(shè)有圓周刻度和高度刻度。

前述的連續(xù)可變內(nèi)徑單管落球測(cè)量的粘滯系數(shù)測(cè)量裝置及其方法，所述內(nèi)突起的斜邊角度為30度。

前述的連續(xù)可變內(nèi)徑單管落球測(cè)量的粘滯系數(shù)測(cè)量裝置的測(cè)量方法，包括以下步驟：

1)在內(nèi)徑為d的單管內(nèi)倒入液體，液體沒過距離為s的兩條刻線中的上刻線；

2)使直徑為d的小球在上述單管內(nèi)的液體中自由下落，記錄小球經(jīng)過兩條刻線所用時(shí)間t；

3)連接改變單管內(nèi)徑d，倒入或吸出液體使其始終沒過所述上刻線，并重復(fù)步驟2，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)；

4)以t為縱坐標(biāo)，d/d為橫坐標(biāo)擬出直線，畫出該直線與縱軸交點(diǎn)，求得t0；

5)根據(jù)公式求得首尾速度v0，又根據(jù)公式已知小球密度ρ，液體密度ρ0，小球直徑d，求得液體粘滯系數(shù)η。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明只包含一個(gè)圓筒，圓筒是卷制的矩形塑料片，圓筒外壁設(shè)有圓周刻度，用以確定圓筒直徑。筒壁卷制重合處形成內(nèi)層和外層，內(nèi)層上設(shè)有一組直角梯形狀內(nèi)突起，外層上設(shè)有一組與內(nèi)突起等大反向的外突起。所述內(nèi)突起和外突起相互卡住形成的作用有三：一、確定圓筒的直徑；二、保持圓筒的同軸度；三、防止圓筒滲漏液體。本發(fā)明的橡膠套隨可適應(yīng)圓筒的直徑變化，始終緊箍住圓筒的下端部，除了防止液體滲漏外還可以配合緊箍帶保持圓筒的形狀和直徑。在本發(fā)明中，每改變一次突起配合位置，便可以測(cè)得一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。因此，本發(fā)明裝置具有占用空間小、成本低和數(shù)據(jù)采集豐富特點(diǎn)。

采用本發(fā)明裝置的測(cè)量方法，省去了普通測(cè)量方法中多次更換實(shí)驗(yàn)筒的時(shí)間，并且測(cè)得的數(shù)據(jù)也遠(yuǎn)多于普通實(shí)驗(yàn)方法，計(jì)算結(jié)果更加精確。因此，采用本發(fā)明裝置的測(cè)量方法測(cè)量效率高，測(cè)量也更加精確。附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是圓筒的截面圖；

圖3是測(cè)量方法所用數(shù)據(jù)圖。

附圖中的標(biāo)記為：1-筒壁，2-緊箍帶，3橡膠套，11-圓周刻度，12-高度刻度，13-內(nèi)層，14-外層，15-內(nèi)突起，16-外突起。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，但并不作為對(duì)本發(fā)明限制的依據(jù)。

實(shí)施例：一種連續(xù)可變內(nèi)徑單管落球測(cè)量的粘滯系數(shù)測(cè)量裝置及其方法，構(gòu)成如圖1所示，包括筒壁1，筒壁1上設(shè)有緊箍帶2，筒壁1底部設(shè)有橡膠套3；所述筒壁1為卷制的矩形塑料片，如圖2所示，筒壁1卷制重合處形成內(nèi)層13和外層14，內(nèi)層13上設(shè)有一組直角梯形狀內(nèi)突起15，外層14上設(shè)有一組與內(nèi)突起15等大反向的外突起16；所述筒壁1上設(shè)有圓周刻度11和高度刻度12。

所述內(nèi)突起15直角側(cè)向內(nèi)，斜邊角度為30度。

所述緊箍帶2可以采用滾珠鎖緊不銹鋼扎帶。

根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的連續(xù)可變內(nèi)徑單管落球測(cè)量的粘滯系數(shù)測(cè)量裝置的測(cè)量方法，包括以下步驟：

1)在內(nèi)徑為d的單管內(nèi)倒入液體，液體沒過距離為s的兩條刻線中的上刻線；

2)使直徑為d的小球在上述單管內(nèi)的液體中自由下落，記錄小球經(jīng)過兩條刻線所用時(shí)間t；

3)連接改變單管內(nèi)徑d，倒入或吸出液體使其始終沒過所述上刻線，并重復(fù)步驟2，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)；

4)以t為縱坐標(biāo)，d/d為橫坐標(biāo)擬出直線，畫出該直線與縱軸交點(diǎn)，求得t0；

5)根據(jù)公式求得首尾速度v0，又根據(jù)公式已知小球密度ρ，液體密度ρ0，小球直徑d，求得液體粘滯系數(shù)η。

工作原理：落球法測(cè)定液體的粘滯系數(shù)是以斯托克斯命名的定律和方法設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)方法簡單、直觀，物理思想清晰明了，對(duì)實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理上應(yīng)用了合理的數(shù)學(xué)修正和推理。

小球在液體中下落時(shí)的速度很小，球半徑也很小，且液體可以看成在各個(gè)方向上都是無限廣闊的則有斯托克斯公式：

f＝3πηvd

其中η為粘滯系數(shù)，d為小球的直徑，v是小球的運(yùn)動(dòng)速度，密度為的ρ小球在液體中受到三個(gè)力作用：重力g＝mg、浮力f＝ρgv(v是小球體積，ρ0是液體密度)和粘滯阻力f，三力在同一方向上，重力向下，浮力和粘滯阻力向上，開始時(shí)重力大于其他兩力之和，小球做加速運(yùn)動(dòng)，但加速時(shí)間極短，最后達(dá)到收尾速度v0，小球勻速下落，此時(shí)有：

則得到滿足斯托克斯定律條件的粘滯系數(shù)表達(dá)式：

上式成立的條件是小球在無限寬廣的均勻液體中下落實(shí)驗(yàn)，實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，待測(cè)液體必須盛于容器中，故不能滿足無限深廣的條件。

由于容器直徑d值對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差的影響最大，因此采用外推作圖法來求v0，如圖3所示。用連續(xù)可變直徑的圓筒，分別測(cè)量小球通過相同距離s所需的時(shí)間t值，得到收尾速度v，再用線性回歸法推出小球在無限廣闊的液體中運(yùn)動(dòng)的收尾速度v0。至此，上述粘滯系數(shù)所有參數(shù)已知，可以求出待測(cè)液體的粘滯系數(shù)。

技術(shù)方案：本發(fā)明的筒壁1為卷制的矩形塑料片，筒壁1卷制重合處形成內(nèi)層13和外層14，內(nèi)層13上設(shè)有一組直角梯形狀內(nèi)突起15，外層14上設(shè)有一組與內(nèi)突起15等大反向的外突起16。實(shí)際使用時(shí)，在緊箍帶2拉緊后，每個(gè)內(nèi)突起15的直角側(cè)和外突起16的直角側(cè)相互接觸，兩者卡位使內(nèi)層13和外層14不會(huì)相互滑動(dòng)，由此確定圓筒形狀，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，而后根據(jù)圓周刻度11讀出圓筒直徑。內(nèi)外突起都是一組多個(gè)設(shè)置，兩兩卡位后可以有效減少內(nèi)層13與外層14之間的縫隙，減少液體滲漏。因此內(nèi)突起和外突起相互作用達(dá)到的效果有三：一、確定圓筒的直徑；二、保持圓筒的同軸度；三、防止圓筒滲漏液體。本發(fā)明的橡膠套隨可適應(yīng)圓筒的直徑變化，始終緊箍住圓筒的下端部，除了防止液體滲漏外還可以配合緊箍帶保持圓筒的形狀和直徑。

需要改變圓筒半徑時(shí)，先需松開緊箍帶2，外層14向外滑動(dòng)一格，再重新拉緊緊箍帶2使內(nèi)突起15與外突起16配合緊密。