一种测定液体粘滞系数的装置

1.本实用新型涉及实验装置领域，具体涉及一种测定液体粘滞系数的装置。


背景技术：

2.当液体内各部分之间有相对运动时，接触面之间存在内摩擦力，阻碍液体的相对运动，这种性质称为液体的粘滞性，液体的内摩擦力称为粘滞力。落球法是测定液体粘性系数的一种常用方法，通过观察球型物体在流体中受内摩擦力的运动状况，并采用斯托克斯公式来测定液体的黏性系数。
3.粘度的大小取决于液体的性质与温度，温度升高，粘度将迅速减小。液体粘滞系数的测定与液体的温度密切相关。液体粘滞系数对温度的改变敏感，因此测定液体在不同温度的粘滞系数有很大的实际意义。现有技术中的测定液体粘滞系数的装置中，只能依靠单独加热液体，使液体温度稍高于目标温度再倒入样品管中，待降温至目标温度，再进行操作。碍于变温的操作复杂性，传统装置无法实现温度的连续变化，故研究液体粘滞系数与液体温度的关系时操作不便。此外，测定过程中，室温将随环境的改变而变化，例如，对于测定所用液体蓖麻油，在室温附近温度改变1℃，粘度值改变约10％。因此，欲准确测定液体的粘滞系数从而得到液体粘度，必须精确控制液体温度。而现有装置对液体温度稳定性的控制，过于依赖客观的环境因素和操作者的操作，无法在一定可信度区间控制液体稳定在特定温度，故为测定结果带来较大的误差。


技术实现要素：

4.因此，本实用新型要解决的技术问题在于克服现有技术中测定液体粘滞系数的装置无法实现温度的连续变化，对液体温度稳定性的控制较差，为测定结果带来较大的误差的缺陷，从而提供一种新的测定液体粘滞系数的装置。
5.一种测定液体粘滞系数的装置，包括：
6.样品管，
7.半导体制冷片，与所述样品管连接，用于为所述样品管内盛装的液体加热或制冷；
8.温度传感器，与所述样品管连接，用于测定所述样品管内盛装液体的温度；
9.温度控制器，分别与所述半导体制冷片和所述温度传感器连接，用于调控所述样品管内盛装液体的温度。
10.进一步地，所述的测定液体粘滞系数的装置，还包括：
11.漏斗盖，设置在所述样品管的开口端，所述漏斗盖的出料管的中轴线与所述样品管的中轴线对齐。
12.进一步地，所述的测定液体粘滞系数的装置，还包括：
13.底座，所述样品管设置在所述底座上，且所述样品管的中轴线与所述底座的平面垂直；
14.调平组件，设置在所述底座上，用于将所述底座调至水平。
15.进一步地，所述调平组件包括：
16.水平泡，用于指示所述底座的倾斜状态；
17.调平旋钮，用于根据所述水平泡的指示调节所述底座至水平。
18.进一步地，所述底座上设置有温度传感器连接端子，所述温度传感器与所述温度控制器之间通过所述温度传感器连接端子和导线连接。
19.进一步地，所述底座上设置有半导体制冷片连接端子，所述半导体制冷片与所述温度控制器之间通过所述半导体制冷片连接端子和导线连接。
20.进一步地，所述温度控制器选用pid温度控制器。
21.进一步地，所述的测定液体粘滞系数的装置，还包括：
22.散热器和散热风扇，用于为所述半导体制冷片散热。
23.进一步地，所述的测定液体粘滞系数的装置，还包括：
24.照明装置，用于为所述样品管进行照明。
25.进一步地，所述样品管上标识有计时起点和计时终点。
26.本实用新型技术方案，具有如下优点：
27.1.本实用新型提供的测定液体粘滞系数的装置，包括样品管、半导体制冷片、温度传感器和温度控制器，引入半导体制冷片能够实现对被测液体的加热和制冷，温度传感器能实时反馈被测液体温度，温度控制器分别连接半导体制冷片和温度传感器，一方面能够依照设定温度对被测液体快速加热或制冷，实现对温度的连续可调与控制，便于研究粘滞系数与温度变化的关系，大大简化操作步骤；另一方面当实测温度与设定温度出现偏差时，温度控制器通过控制半导体制冷片进行加热或制冷，使液体温度能够稳定在设定值误差范围内，实现对设定温度的精确控制，从而提高粘滞系数测量的精度，减小误差。
28.2.本实用新型提供的测定液体粘滞系数的装置，还包括：漏斗盖，漏斗盖的出料管的中轴线与样品管的中轴线对齐，使用漏斗盖放入小球时，能够保证小球沿样品管的中轴线下落，通过漏斗盖的设置能够解决操作者凭目测在样品管中轴线释放小球时容易偏离中轴线造成误差的缺陷，从而使操作更精准，测定结果更准确。
29.3.本实用新型提供的测定液体粘滞系数的装置，还包括：底座和调平组件，通过将样品管设置在底座上并使样品管的中轴线与底座的平面垂直，配合调平组件，可以将底座调至水平，从而保证了小球沿样品管的中轴线垂直下落，避免了小球容易偏离样品管中轴线下落的缺陷。
30.4.本实用新型提供的测定液体粘滞系数的装置，还包括：照明装置，用于为样品管进行照明，使得观察小球下落过程更直观清晰，测定结果更加准确。
附图说明
31.为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
32.图1为本实用新型提供的测定液体粘滞系数的装置的部分结构示意图；
33.图2为本实用新型提供的测定液体粘滞系数的装置中底座的俯视图；
34.图3为半导体制冷片的结构示意图。
35.附图标记说明：
[0036]1‑
样品管；2
‑
半导体制冷片；3
‑
温度传感器；4
‑
照明装置；5
‑
p型半导体；6
‑
n型半导体；7
‑
金属片；8
‑
传热壳体；9
‑
散热器；10
‑
散热风扇；11
‑
漏斗盖；12
‑
底座；13
‑
水平泡；14
‑
调平旋钮；15
‑
温度传感器连接端子；16
‑
半导体制冷片连接端子。
具体实施方式
[0037]
下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
[0038]
在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
[0039]
在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
[0040]
此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
[0041]
如图1和图2所示，本实用新型提供一种测定液体粘滞系数的装置，包括：
[0042]
样品管1，
[0043]
半导体制冷片2，与样品管1连接，用于为样品管1内盛装的液体加热或制冷；
[0044]
温度传感器3，与样品管1连接，用于测定样品管1内盛装液体的温度；
[0045]
温度控制器，分别与半导体制冷片2和温度传感器3连接，用于调控样品管1内盛装液体的温度。
[0046]
本实用新型提供的测定液体粘滞系数的装置，引入半导体制冷片2能够实现对被测液体的加热和制冷，温度传感器3能实时反馈被测液体温度，温度控制器分别连接半导体制冷片2和温度传感器3，一方面能够依照设定温度对被测液体快速加热或制冷，实现对温度的连续可调与控制，便于研究粘滞系数与温度变化的关系，大大简化操作步骤；另一方面当实测温度与设定温度出现偏差时，温度控制器通过控制半导体制冷片2进行加热或制冷，使液体温度能够稳定在设定值误差范围内，实现对设定温度的精确控制，从而提高粘滞系数测量的精度，减小误差。
[0047]
落球法测定液体粘滞系数的原理如下：
[0048]
一个在静止液体中下落的小球受到重力、浮力和粘滞阻力3个力的作用，如果小球的速度ν很小，且液体可以看成在各方向上都是无限广阔的，则从流体力学的基本方程可以导出表示粘滞阻力的斯托克斯公式：
[0049]
f＝3πηvd
ꢀꢀꢀ
(1)
[0050]
(1)式中d为小球直径。由于粘滞阻力与小球速度v成正比，小球在下落很短一段距离后，所受3力达到平衡，小球将以ν0匀速下落，此时有：
[0051][0052]
(2)式中ρ为小球密度，ρ0为液体密度。由(2)式可解出粘度η的表达式：
[0053][0054]
小球在直径为d的玻璃管中下落，液体在各方向无限广阔的条件不满足，此时粘滞阻力的表达式可加修正系数(1+2.4d/d)，而(3)式可修正为：
[0055][0056]
当小球的密度较大，直径不是太小，而液体的粘度值又较小时，小球在液体中的平衡速度v0会达到较大的值，奥西思
‑
果尔斯公式反映出了液体运动状态对斯托克斯公式的影响：
[0057][0058]
其中re称为雷诺数，是表征液体运动状态的无量纲参数。
[0059]
re＝v0dρ0/η
ꢀꢀꢀ
(6)
[0060]
当re小于0.1时，可认为(1)、(4)式成立。当0.1＜re＜1时，应考虑(5)式中1级修正项的影响，当re大于1时，还须考虑高次修正项。
[0061]
考虑(5)式中1级修正项的影响及玻璃管的影响后，粘度η1可表示为：
[0062][0063]
由于3re/16是远小于1的数，将1/(1+3re/16)按幂级数展开后近似为1
‑
3re/16，(7)式又可表示为：
[0064][0065]
已知或测量得到ρ、ρ0、d、d、v等参数后，由(4)式计算粘度η，再由(6)式计算re，若需计算re的1级修正，则由(8)式计算经修正的粘度η1。
[0066]
本实用新型所述的样品管1是用于盛装待测液体的容器，优选为细长玻璃管，能够使液体温度较快地与设定温度达到平衡，进一步优选地，样品管壁上有刻度线，便于测量小球下落的距离，样品管上标识有计时起点和计时终点，当小球下落至计时起点时开始计时，当小球下落至计时终点时停止计时。进一步优选地，测定液体粘滞系数的装置还包括：照明装置4，用于为样品管1进行照明。照明装置4可以选用led灯，设置在样品管1的底部，当led灯亮起时，使得观察小球下落过程更直观清晰，测定结果更加准确。
[0067]
本实用新型所述的半导体制冷片2，其加热和制冷原理如下所述：
[0068]
半导体的加热制冷主要是充分借助珀耳帖效应产生强度较大的吸热或放热现象。
多数情况下，利用p型半导体和n型半导体首尾连接组成闭合回路通电时，两种半导体连接处一端放热、一端吸热，同时伴随着汤姆孙效应、焦耳效应和傅立叶效应等多种热电效应的发生。
[0069]
如图3所示，是由p型半导体5、n型半导体6和金属片7构成的回路，a、b、c、d分别为半导体与金属片7的接触面，a、d端为冷端，b、c端为热端。当p型半导体5和n型半导体6组成的回路工作时，p型半导体5的热端空穴浓度较高，则空穴会从温度高的一端向较低的一端扩散。若回路处于开路状态，p型半导体5的两端将形成空间电荷，正电荷聚集在温度较高的一端，负电荷则聚集在温度较低的一端，与此同时p型半导体5内将形成一定强度的电场。前者扩散运动与后者电场作用达到平衡时，p型半导体5两端则形成稳定的电势差，也就是半导体的温差电动势。
[0070]
当由p型半导体5和n型半导体6构成的回路通电时，在两半导体连接处会形成一定的电势差。如点a、d之间，由电场力引起自由电子运动，若电流方向由n型半导体6经d端金属片7指向p型半导体5，则自由电子的运动方向与电流方向相反。p型半导体5中一部分电子首先摆脱满带空穴的共价键作用进入导带，然后导带中的自由电子受到电场力作用运动至金属片7的导带，并随即运动至n型半导体6的导带。最后，一部分电子被n型半导体6满带中的空穴吸收。该过程中，电子摆脱共价键吸热、由n型半导体6的导带进入价带放热。由于n型半导体6的导带能级高于金属片7的导带能级，金属片7的导带能级高于p型半导体5的导带能级，因此受电场力运动的电子进入n型半导体6时需要吸收一定的热量，过程中总的吸热量大于放热量，因此表现为吸热。
[0071]
而电流方向由p型半导体5指向n型半导体6时，该过程表现为电子由n型半导体6运动至p型半导体5，并向外界放出一定的能量。
[0072]
如图1所示，半导体制冷片2与样品管1之间通过传热壳体8相连，传热壳体8为立方体形的柱状结构，内部开设有容纳和固定样品管1的孔道，样品管1安装在该孔道内，半导体制冷片2贴装于立方体柱状结构的外壁上，传热壳体8选择导热材料制成，如铝合金材质，由此实现样品管1内的待测液体的均匀受热。需要注意的是，以上仅为一种可选的实施方式，本实用新型对半导体制冷片2与样品管1之间的安装方式以及半导体制冷片2的数量不作出限制。
[0073]
更进一步优选地，测定液体粘滞系数的装置还包括：散热器9和散热风扇10，用于为半导体制冷片2散热。半导体自身存在电阻，当电流经过半导体时就会产生热量，从而会影响热传递。而且两个极板之间的热量也会通过空气和半导体材料自身进行逆向热传递。当冷热端达到一定温差，这两种热传递的量相等时，就会达到一个平衡点，正逆向热传递相互抵消。此时冷热端的温度就不会继续发生变化。为了达到更低的温度，可以采取散热等方式降低热端的温度来实现。散热风扇10以及散热器9的作用主要是为半导体制冷片2的热端散热。通常半导体制冷片2冷热端的温差可以达到40～65℃，如果通过主动散热的方式来降低热端温度，那冷端温度也会相应的下降，从而达到更低的温度。
[0074]
本实用新型所述的温度传感器3，用于测定样品管1内盛装液体的温度并反馈给温度控制器，通过实时监测待测液体温度能够实现温度控制器对待测液体温度的灵活和精准控制，优选地，温度传感器3贴装于样品管1的外壁上。
[0075]
本实用新型所述的温度控制器(图中未示出)，分别与半导体制冷片2和温度传感
器3连接，用于调控样品管1内盛装液体的温度。优选地，温度控制器选用pid温度控制器。pid温度控制器的工作原理如下：首先设置一个温度值ts，则温度设定值与温度传感器3实际测量得到的温度值tp的差为te，通过pid温度控制器的调节元件，使其按周期调节脉冲宽度输出至h桥，作用于半导体制冷片2进行加热或制冷，使得待测液体温度升高或降低。温度传感器3测得液体的温度值，与设定值作比较，若有温度偏差值，则继续进行调节。作为一种优选实施方式，pid温度控制器的主面板按钮功能主要分为以下几个部分：
[0076]
温度设定值：通过按钮设定改变待测液体的温度；
[0077]
温度实测值：显示样品管1的液体的温度值(可将温度计放置在液体中校准)；
[0078]
快速：温度设定后，选择快速模式并按下启动按钮，很快地改变温度(根据操作进度选择)；
[0079]
慢速：温度设定后，选择慢速模式并按下启动按钮，缓慢地改变温度(根据操作进度选择)；
[0080]
停止：(1)pid温度控制器停止工作；(2)切换功能时按下停止按钮后，选择所需的按钮，再次按启动模式，pid温度控制器工作。
[0081]
以上有关pid温度控制器的描述均属于现有技术，通过现有技术中的仪器和程序即可实现上述功能，在此不做赘述。
[0082]
作为本实用新型的进一步改进，如图1所示，测定液体粘滞系数的装置还包括：漏斗盖11，设置在样品管1的开口端，漏斗盖11的出料管的中轴线与样品管1的中轴线对齐。优选地，漏斗盖11由盖体和漏斗组成，漏斗镶嵌在盖体内，盖体用于卡合在样品管1的开口处，漏斗用于投入小球，漏斗的出料管的内径与小球的外径相匹配以使小球投入漏斗后恰好沿出料管的中轴线下落，继而沿出料管的中轴线下落。
[0083]
在测定过程中，小球从样品管上方下落时，容易偏离样品管的中轴线。流体流动的速度沿样品管中轴线是最大的，越靠近管壁处速度越小，根据落球法测定液体粘滞系数的原理，只有当小球沿样品管的中轴线下落，才能保证球面的液层与周围其他液层的相对速度一样，小球下落测得的时间才会准确。现有装置需要操作者用镊子夹住小球凭经验在样品管的中轴线上释放，单单依靠操作者目测的判断，很难保证小球沿中心轴下落。
[0084]
使用漏斗盖11放入小球时，能够保证小球沿样品管1的中轴线下落，通过漏斗盖11的设置能够解决操作者凭目测在样品管1中轴线释放小球时容易偏离中轴线造成误差的缺陷，从而使操作更精准，测定结果更准确。
[0085]
作为本实用新型的进一步改进，如图1和图2所示，测定液体粘滞系数的装置还包括：
[0086]
底座12，样品管1设置在底座12上，且样品管1的中轴线与底座12的平面垂直；
[0087]
调平组件，设置在底座12上，用于将底座12调至水平。
[0088]
通过将样品管1设置在底座12上并使样品管1的中轴线与底座12的平面垂直，配合调平组件，可以将底座12调至水平，从而保证了小球沿样品管1的中轴线垂直下落，避免了小球容易偏离样品管1中轴线下落的缺陷。
[0089]
作为调平组件的一种可选实施方式，调平组件包括：
[0090]
水平泡13，用于指示底座12的倾斜状态；
[0091]
调平旋钮14，用于根据水平泡13的指示调节底座12至水平。
[0092]
优选地，调平旋钮14的数量为两个，调平旋钮14由手拧螺母和地脚螺钉组成，通过转动手拧螺母调节两个地脚螺钉，同时观察水平泡13，使水平泡13内的气泡位于中央的圆圈内。调平组件的设置保证了底座12位于水平面上，进而保证样品管1位于竖直方向上。
[0093]
作为本实用新型的进一步改进，如图2所示，底座12上设置有温度传感器连接端子15，温度传感器3与温度控制器之间通过温度传感器连接端子15和导线连接。底座12上设置有半导体制冷片连接端子16，半导体制冷片2与温度控制器之间通过半导体制冷片连接端子16和导线连接。
[0094]
本实用新型提供的测定液体粘滞系数的装置，其使用方法如下：
[0095]
通过调平旋钮14调整水平泡13内的气泡位于中央的圆圈内；向样品管1中注入待测液体，盖好漏斗盖11；用导线连接温度传感器3、温度传感器连接端子15、温度控制器；并用导线连接半导体制冷片2、半导体制冷片连接端子16、温度控制器；设置目标温度，按启动键半导体制冷片2开始加热/制冷，当温度控制器显示温度达到设定温度之后再等约5分钟，使样品管1中的待测液体温度与显示温度完全一致；用螺旋测微器测量小球直径，将数据计入表格；用镊子将事先浸润的小球从漏斗盖11的漏斗中心轻轻放入液体，用停表测量小球经过距离l(计时起点和计时终点之间)的时间t，并计算小球速度v，计算粘度η；调节待测液体温度，重复上述步骤；操作全部完成后，取下漏斗盖11，用磁铁棒在样品管1外将小球吸至管口，用镊子将小球夹出保存，再盖好漏斗盖11；绘制粘滞系数(h)
‑
温度(t)曲线。
[0096]
本实用新型提供的测定液体粘滞系数的装置，可以用于教学实验，也可以用于商业检测等，操作简便、测定结果精准，适于大范围推广使用。
[0097]
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。