一种基于单摆的液体粘滞系数测量装置及方法

1.本发明涉及液体粘滞系数测量仪器技术领域，特别是涉及一种基于单摆的液体粘滞系数测量装置及方法。


背景技术：

2.液体的粘滞系数是由液体本身性质决定的，反映液体粘性阻力大小的指标。不同液体具有不同的粘滞系数，液体的粘滞系数与温度有关，随温度升高而显著降低。常用的测量液体粘滞系数的方法有：落球法，毛细管法，转筒法等。本发明通过运用小球在液体表面单摆的时间的长短来测量不同液体的粘滞系数，以研究和测定未知流体的粘滞系数，在实际的生产生活当中具有重要的意义和作用。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种基于单摆的液体粘滞系数测量装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，能够实现不需要知道液体的粘滞系数，同时，无论液体是否透明，均可以运动该装置和方法进行测试，在测试过程中不需要使用大量的液体，可重新进行测试，且粘滞系数的测量范围较宽，且测量精度高。
4.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种基于单摆的液体粘滞系数测量装置，包括工作台，所述工作台内设置有升降部，所述升降部顶端设置有储液箱，所述工作台顶端通过支板固接有角度调节部，所述角度调节部上转动连接有摆球，所述摆球与所述储液箱对应设置；
5.所述角度调节部包括与所述支板固接的固定轴，所述固定轴远离所述支板的一端固接有转杆，所述转杆通过摆线与所述摆球滑动接触，所述固定轴侧壁通过转动件转动连接有第一调节板，所述第一调节板通过连板固接有第二调节板，所述连板位于所述转杆上方，所述摆球位于所述第一调节板与所述第二调节板之间；
6.所述第一调节板与所述第二调节板之间设置有用于固定摆球的固定件，所述固定件与所述第一调节板和所述第二调节板转动连接。
7.优选的，所述工作台内开设有空腔，所述升降部包括设置在所述空腔内的第一调节块和第二调节块，所述第一调节块与所述工作台底部滑动连接，所述第二调节块与所述工作台固接，所述第一调节块顶端铰接有第一连杆，所述第二调节块顶端铰接有第二连杆，所述第一连杆与所述第二连杆通过转轴转动连接，所述第一连杆末端和所述第二连杆末端铰接有升降板，所述升降板顶端与所述储液箱底端抵接。
8.优选的，所述空腔内设置有压缩弹簧，所述压缩弹簧位于所述第一调节块远离所述第二调节块的一侧，所述压缩弹簧两端分别与所述第一调节块和所述工作台侧壁固接，所述第一调节块上转动连接有推动杆，所述工作台侧壁开设有调节槽，所述推动杆通过所述调节槽伸出所述工作台，所述推动杆上固接有把手，所述推动杆上设置有用于锁定所述第一调节块的锁定件。
9.优选的，所述第一调节板上开设有通孔，所述固定轴穿过所述通孔，所述转动件包括设置在所述通孔内的调节筒，所述调节筒与所述第一调节板固接，所述调节筒上固接有若干调节齿，所述固定轴上固接有弹片，所述弹片位于任意两相邻的调节齿之间，且所述弹片与所述调节齿抵接。
10.优选的，所述第一调节板和所述第二调节板顶端均开设有凹槽，所述固定件包括分别设置在两所述凹槽内的短杆，两所述短杆间设置有水平球，所述水平球靠近所述摆球的一侧固接有电磁铁，所述电磁铁充电吸附所述摆球，所述电磁铁断电不吸附所述摆球，所述第一调节板底端固接有电源盒，所述电源盒与所述电磁铁电性连接。
11.优选的，所述固定轴上设置有角度刻度线，所述角度刻度线位于所述第一调节板与所述支板之间，所述第一调节板上固接有指示针，所述指示针与所述角度刻度线对应设置，所述摆球上设置有高度刻度线。
12.优选的，所述固定轴上固接有位移传感器，所述位移传感器与所述摆球对应设置。
13.优选的，所述工作台上开设有限位槽，所述储液箱外侧壁固接有限位板，所述限位板与所述限位槽相适配。
14.一种基于单摆的液体粘滞系数测量装置的使用方法，操作步骤包括：
15.a、调节储液箱高度：摆球自然下垂，调整储液箱使得摆球与待测液体接触；
16.b、调节释放角度：完成步骤a后，转动角度调节部至待测角度；
17.c、固定摆球：完成步骤b后，启动固定件，对摆球进行固定；
18.d、释放摆球：完成步骤c后，释放摆球，记录摆球停止运动时间；
19.e、得出拟合曲线：完成步骤a
‑
d后，更换液体，重新开始步骤a
‑
d，记录摆球停止运动时间，随后通过计算得出拟合曲线。
20.优选的，步骤e中，更换液体的体积相同，摆球与液体接触的面积相同。
21.本发明公开了以下技术效果：
22.1.本发明不需要知道液体的粘滞系数，同时，无论液体是否透明，均可以运动该装置和方法进行测试，在测试过程中不需要使用大量的液体，可重新进行测试，且粘滞系数的测量范围较宽。
23.2.通过设置升降部，使得储液箱的高度可以进行调整，其调节过程简单，在调节储液箱的过程中不会使储液箱发生偏移，进而使得储液箱内的液体与摆球的位置不发生偏移，以提高实验的精确性。
24.3.通过设置角度调节部，利用角度调节部调整摆球的初始释放位置，角度调节部可以根据摆球的实际需要进行各个角度的调节，其调节方便，且调节精度高。
25.4.通过设置固定件，与现有的摆球为人工手动释放相比，固定件可以很好的对摆球进行固定，且在释放时不会为摆球提供额外的作用力，进一步提高的实验的精确性。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.图1为基于单摆的液体粘滞系数测量装置的初始状态立体图；
28.图2为角度调节部调节状态立体图；
29.图3为摆球释放状态的立体图；
30.图4为转动件的立体图；
31.图5为固定件的立体图；
32.图6为升降部的俯视图；
33.图7为升降部的结构示意图；
34.图8为锁定件的立体图；
35.图9为摆球的立体图；
36.图10为粘滞系数与时间关系图；
37.其中，1
‑
工作台，2
‑
储液箱，3
‑
摆球，4
‑
固定轴，5
‑
转杆，6
‑
摆线，7
‑
第一调节板，8
‑
连板，9
‑
第二调节板，10
‑
空腔，11
‑
第一调节块，12
‑
第二调节块，13
‑
第一连杆，14
‑
第二连杆，15
‑
转轴，16
‑
升降板，17
‑
压缩弹簧，18
‑
推动杆，19
‑
调节槽，20
‑
把手，21
‑
调节筒，22
‑
调节齿，23
‑
弹片，24
‑
凹槽，25
‑
短杆，26
‑
水平球，27
‑
电磁铁，28
‑
电源盒，29
‑
角度刻度线，30
‑
指示针，31
‑
高度刻度线，32
‑
位移传感器，33
‑
限位槽，34
‑
限位板，35
‑
豁口，36
‑
加热棒，37
‑
锁定齿，38
‑
咬合板，39
‑
咬合齿，40
‑
支板。
具体实施方式
38.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
39.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
40.本发明提供一种基于单摆的液体粘滞系数测量装置，包括工作台1，工作台1内设置有升降部，升降部顶端设置有储液箱2，工作台1顶端通过支板40固接有角度调节部，角度调节部上转动连接有摆球3，摆球3与储液箱2对应设置；角度调节部包括与支板40固接的固定轴4，固定轴4远离支板40的一端固接有转杆5，转杆5通过摆线6与摆球3滑动接触，固定轴4侧壁通过转动件转动连接有第一调节板7，第一调节板7通过连板8固接有第二调节板9，连板8位于转杆5上方，摆球3位于第一调节板7与第二调节板9之间；第一调节板7与第二调节板9之间设置有用于固定摆球3的固定件，固定件与第一调节板7和第二调节板9转动连接。
41.在进行液体的粘滞系数测量实验时，摆球3自然下垂拉直摆线6，通过调节升降部对储液箱2的高度进行调节，使得储液箱2内的待测液体与摆球3接触，随后调整角度调节部，角度调节部可以在0
°‑
90
°
之间旋转，使得固定件跟随角度调节部发生旋转，根据实验需要调节完毕后，启动固定件后将摆球3固定在固定件上，随后释放摆球3并记录摆球3从开始摆动到静止的时间，待测量完毕后，更换待测液体重新进行测试，测量摆球3在不同粘滞系数液体中摆动时间，由于摆球3受到的摩擦力不同，所以摆动的时间也不一样，进而得到粘滞系数η与时间t的关系，随后拟合得到的多组数据，可以得出粘滞系数与时间关系的曲线，并可应用于后期的数据处理。
42.转杆5需要与固定轴4同轴心，以使得固定件可以较好的对摆球3进行固定。
43.第一调节板7和第二调节板9上均开设有豁口35。豁口35使得第一调节板7和第二调节板9用于放置摆球3的部分变短，使得实验人员可以较为方便的将摆球3固定在固定件上。
44.固定件可以设置有两个，分别位于第一调节板7和第二调节板9的两端，可以根据实验需要，选择将摆球3固定任一一个固定件上。
45.进一步优化方案，工作台1内开设有空腔10，升降部包括设置在空腔10内的第一调节块11和第二调节块12，第一调节块11与工作台1底部滑动连接，第二调节块12与工作台1固接，第一调节块11顶端铰接有第一连杆13，第二调节块12顶端铰接有第二连杆14，第一连杆13与第二连杆14通过转轴15转动连接，第一连杆13末端和第二连杆14末端铰接有升降板16，升降板16顶端与储液箱2底端抵接。通过调节第一调节块11的位置，使得第一连杆13的位置发生变化，且由于第一连杆13通过转轴15与第二连杆14转动连接，因此第一连杆13的运动带动第二连杆14的运动，第一连杆13与第二连杆14配合，使得升降板16在空腔10内上下移动，进而使得储液箱2实现上下移动。
46.升降板16内设置有加热棒36。加热棒36的作用是为待测液体进行加热，由于液体的粘滞系数随着温度的改变而改变，可以通过加热棒36对改变待测液体的温度。加热棒36是否使用可以根据实际实验确定，不使用时，仅需要关掉加热棒36即可。
47.进一步优化方案，空腔10内设置有压缩弹簧17，压缩弹簧17位于第一调节块11远离第二调节块12的一侧，压缩弹簧17两端分别与第一调节块11和工作台1侧壁固接，第一调节块11上转动连接有推动杆18，工作台1侧壁开设有调节槽19，推动杆18通过调节槽19伸出工作台1，推动杆18上固接有把手20，推动杆18上设置有用于锁定第一调节块11的锁定件。通过移动把手20，使得推动杆18带动第一调节块11的位置发生改变，以调节储液箱2的高度，压缩弹簧17的作用是便于升降板16的调节，需要明确的是，当储液箱2放置在升降板16上时，压缩弹簧17被压缩，当需要取出储液箱2时，在压缩弹簧17的作用下，储液箱2可以较为省力的被取出，以便于实验人员进行操作。
48.其中，推动杆18应当贯穿第一调节块11，且与第一调节块11转动连接，以使得推动杆18可以带动第一调节块11正常运动并对第一调节块11进行锁定。
49.锁定件包括固接在推动杆18上锁定齿37，空腔10内设置有咬合板38，咬合板38与工作台1底部固接，咬合板38顶端固接有若干咬合齿39，锁定齿37远离压缩弹簧17的一侧与咬合齿39抵接。当放入储液箱2后，压缩弹簧17被压缩，通过推动杆18调节第一调节块11的位置，使得压缩弹簧17进一步被压缩，此时锁定齿37与咬合板38处于平行状态，锁定齿37与咬合齿39不接触，当第一调节块11的位置调节完毕后，压缩弹簧17会产生一个推动力，通过旋转推动杆18，使得锁定齿37与咬合齿39抵接，在压缩弹簧17的作用下，锁定齿37压在咬合齿39上，使得锁定齿37不能发生位移，以实现对第一调节块11的锁定，待实验完毕后，旋转推动杆18，使得锁定齿37与咬合板38平行即可再次调节第一调节块11的位置。
50.进一步优化方案，第一调节板7上开设有通孔，固定轴4穿过通孔，转动件包括设置在通孔内的调节筒21，调节筒21与第一调节板7固接，调节筒21上固接有若干调节齿22，固定轴4上固接有弹片23，弹片23位于任意两相邻的调节齿22之间，且弹片23与调节齿22抵接。当转动第一调节板7时，在外力的作用下，调节齿22压迫弹片23，使得弹片23发生形变，
进而使得调节筒21可以在固定轴4上旋转，而转动完毕后，外力消失，使得弹片23回复，并通过调节齿22对调节筒21进行锁定，其操作简单，实用性强。而调节齿22的齿数根据实际使用情况进行设置，即当弹片23发生一次形变，调节筒21转动一定角度，目的是便于实验人员操作，以及提高实验的精确性。
51.进一步优化方案，第一调节板7和第二调节板9顶端均开设有凹槽24，固定件包括分别设置在两凹槽24内的短杆25，两短杆25间设置有水平球26，水平球26靠近摆球3的一侧固接有电磁铁27，电磁铁27充电吸附摆球3，电磁铁27断电不吸附摆球3，第一调节板7底端固接有电源盒28，电源盒28与电磁铁27电性连接。电磁铁27通电后对摆球3进行吸附，相对于现有的人工手持释放来说，电磁铁27吸附的方式可以提高摆球3的释放精度，同时降低实验人员的劳动成本，进一步提高实验的精确性。电磁铁27的通电使用方式属于现有技术，在此不做过多赘述。
52.而由于第一调节板7和第二调节板9会发生旋转，如果电磁铁27的角度发生变化，会影响摆球3的正常释放，因此设置有水平球26，在两短杆25的作用下，即使第一调节板7和第二调节板9的位置发生变化，水平球26始终保持竖直状态，使得与水平球26连接的电磁铁27也保持水平状态，对摆球3进行有效释放。其中，任一短杆25上固接有两限位块，两限位块分别位于第一调节板7或第二调节板9两侧，以对短杆25进行限位，避免短杆25发生偏移。
53.进一步优化方案，固定轴4上设置有角度刻度线29，角度刻度线29位于第一调节板7与支板40之间，第一调节板7上固接有指示针30，指示针30与角度刻度线29对应设置，摆球3上设置有高度刻度线31。角度刻度线29的作用是明确第一调节板7的转动角度，便于实验人员快速调节摆球3的释放角度，且提高了精确性，指示针30、角度刻度线29优选选用颜色亮丽的材质或材料，以便于实验人员的观察。同理，由于实验需要更换不同种液体，为了保证摆球3在不同种待测液体内接触面积一致，因此设置高度刻度线31，便于实验人员操作，以及提高实验精度。
54.进一步优化方案，固定轴4上固接有位移传感器32，位移传感器32与摆球3对应设置。本装置需要测量摆球3在不同液体内的摆动时间，由于人为的测量时间存在误差，因此通过设置位移传感器32对摆球3进行检测，当位移传感器32检测到摆球3的位置不再发生变化时，记录该时间，位移传感器32电性连接有计算机(图中未示出)，以对数据进行收集。且本发明的检测装置不限于位移传感器32，只要实现对摆球3的运动进行测量的装置即可。
55.进一步优化方案，工作台1上开设有限位槽33，储液箱2外侧壁固接有限位板34，限位板34与限位槽33相适配。限位槽33和限位板34配合，使得储液箱2相对于摆球3的位置不发生变化，在多组不同液体进行实验的过程中，一方面便于实验人员进行操作，另一方面提高了实验的精确性。
56.一种基于单摆的液体粘滞系数测量装置的使用方法，操作步骤包括：
57.a、调节储液箱2高度：摆球3自然下垂，调整储液箱2使得摆球3与待测液体接触。初始状态时，摆球3在重力的作用下自然下垂，将盛装有待测液体的储液箱2放置在升降板16上，调节推动杆18，进而调节升降板16，使得储液箱2处于合适位置，随后转动推动杆18，对升降板16进行锁定。
58.b、调节释放角度：完成步骤a后，转动角度调节部至待测角度。手持转动第一调节板7，第二调节板9在连板8的作用下跟随第一调节板7转动，调节齿22压迫弹片23，使得弹片
23发生形变，当第一调节板7角度调节完毕后，弹片23回复，对第一调节板7进行锁定。在此过程中，水平球26在短杆25的作用下，重心始终垂直向下，使得电磁铁27始终垂直。
59.c、固定摆球3：完成步骤b后，启动固定件，对摆球3进行固定。启动电源盒28，使得电磁铁27通电产生磁力，对摆球3进行固定。
60.d、释放摆球3：完成步骤c后，释放摆球3，记录摆球3停止运动时间。对电磁铁27断电，使得摆球3自由摆动，并通过位移传感器32检测摆球3的运动，待位移传感器32检测摆球3不再运动后，记录时间。
61.e、得出拟合曲线：完成步骤a
‑
d后，更换液体，重新开始步骤a
‑
d，记录摆球3停止运动时间，随后通过计算得出拟合曲线。通过测量摆球3在不同液体内停止运动时间，得出数据后通过计算得出拟合曲线，拟合曲线的计算可以根据现有的计算即可，例如利用word等办公软件即可实现计算，操作简便。
62.进一步优化方案，步骤e中，更换液体的体积相同，摆球3与液体接触的面积相同。为了提高实验的准确性，因此需要保证更换液体的体积相同，摆球3位于液体内的面积也需要相同。
63.实施例：
64.将第一调节板7的摆角调节到5
°
(具体角度可以调节，在90
°
到0
°
之间)。记录摆球3从开始摆动到静止的时间。测量摆球3在不同粘滞系数液体中摆动时间时，保持摆球3与液面的相对位置不变。由于摆球3受到的摩擦力不同，所以摆动的时间也不一样，用不同浓度的乙醇溶液做实验，测得乙醇溶液粘滞系数η与时间t的关系。
65.2数据记录和处理
66.2.1数据记录
67.多次测量摆球3在不同浓度乙醇溶液中的摆动时间，求平均值。
68.22℃时不同浓度乙醇溶液的粘滞系数与摆动时间的关系，如表1所示：
69.表1 22℃时不同浓度乙醇溶液的粘滞系数与单摆时间之间的关系
70.浓度0％5％10％15％20％25％30％35％40％η/(1
×
10
‑3p
a
.s)0.95791.1861.2561.4591.6681.9112.1462.2162.359t/s41.7439.8338.1136.2434.4132.7829.9829.1227.56
71.2.2数据处理
72.拟合表1的数据，可得粘滞系数与时间关系的曲线，如图10所示。曲线方程为η＝0.0002t2‑
0.1164t+5.4169，摆球3在浓度为45％的乙醇溶液中的摆动时间为26.56s，带入函数式y中。可η＝2.485193(1
×
10
‑4p
a
.s)，查阅资料可得22℃下浓度为45％的乙醇溶液粘滞系数为2.5192(1
×
10
‑4p
a
.s)。相对误差为1.35％。
73.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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发明，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发明的限制。
74.以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。