液體粘滯系數實驗測量儀器的制造方法
【專利摘要】本實用新型的目的在于提供一種液體粘滯系數實驗測量儀器，從而，有效地減小實驗誤差，提高測量結果的精確度。本實用新型采用的技術方案為：一種液體粘滯系數實驗測量儀器，包括：液筒，為立式結構，用于盛裝待測液體；筒蓋，為底面在上且頂部開有中心孔的漏斗形筒蓋，用于實驗用小球順導并經中心孔通過；豎桿，平行于液筒軸線設置；以及上檢測元件，設置在豎桿上下方向預定位置處，構成起點檢測位檢測元件；下檢測元件，設置在豎桿上相對于上檢測元件的下方，而構成終點檢測位檢測元件。
【專利說明】液體粘滯系數實驗測量儀器

【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種液體粘滯系數實驗測量的儀器。

【背景技術】
[0002]對液體粘滯系數的測量不僅是大學物理實驗的一項基本內容，而且對各領域技術的發展都有重大影響。現在通過落球法測量測定液體的粘滯系數的方法很多，各有所長，無法取長補短，且存在以下的缺陷:實驗所用小球直徑較小(約I mm)，小球的下落軸線不好控制，對斯托克斯定律要求的“無限廣延”條件，無法做到最大化滿足。
[0003]實驗中，規格相同的不同小球，依次落入液體中測量終極速度，實驗是在不等精度條件下進行的；當前落球法主要采用人工計時，人為因素影響比較大，使得時間測量誤差較大，測量范圍極其狹窄，只能測量透明且粘滯系數較大的液體。
[0004]另外，在實驗過程中實驗儀器周圍環境溫度會有小的波動變化。由于小球下落過程中隨著各管直徑的不同，管內液體隨外界溫度變化的幅度也不一致，這就造成了各管內部溫度值的不同，從而產生較大的誤差，并且只能測量當時室溫下的液體粘滯系數。


【發明內容】

[0005]因此，本實用新型的目的在于提供一種液體粘滯系數實驗測量儀器，從而，有效地減小實驗誤差，提高測量結果的精確度。
[0006]本實用新型采用的技術方案為:
[0007]—種液體粘滯系數實驗測量儀器，包括:
[0008]液筒，為立式結構，用于盛裝待測液體；
[0009]筒蓋，為底面在上且頂部開有中心孔的漏斗形筒蓋，用于實驗用小球順導并經中心孔通過；
[0010]豎桿，平行于液筒軸線設置；以及
[0011]上檢測元件，設置在豎桿上下方向預定位置處，構成起點檢測位檢測元件；
[0012]下檢測元件，設置在豎桿上相對于上檢測元件的下方，而構成終點檢測位檢測元件。
[0013]依據本實用新型的液體粘滯系數實驗測量儀器，基于兩個方面保證測量結果的精確度，一個方面是設置具有特定結構的筒蓋，可以對小球進行順導，從而使小球的下落軸線處于相對可控的狀態。另一方面，采用檢測元件，而非人工計時的方式，基于機器識別的快速響應特性，產生精確的計時。因此，基于本實用新型的上述結構，能夠減小實驗的誤差，并提高測量結果的精確度。
[0014]上述液體粘滯系數實驗測量儀器，所述上檢測元件和下檢測元件為光電檢測元件，容易配置，且能夠滿足測量精度的要求。
[0015]上述液體粘滯系數實驗測量儀器，所述豎桿配置為兩根，而分居于液筒的兩側，從而光電檢測元件采用對射型光電傳感器而相應配置在兩豎桿上，能夠有效避免高反光物體的干擾，提高檢測的準確性。
[0016]上述液體粘滯系數實驗測量儀器，所述液筒的筒底為錐頂在上的正錐形筒底，借助于錐頂，可以有效的確定小球是否沿著液筒軸線下行。
[0017]上述液體粘滯系數實驗測量儀器，還包括溫控系統，包括溫控裝置和該溫控裝置輸出控制的溫控元件，其中溫控元件配置在液筒上，降低環境溫度對測量的影響。
[0018]上述液體粘滯系數實驗測量儀器，所述溫控元件配置在液筒的非豎桿所在側，避免對檢測元件的負面影響。
[0019]上述液體粘滯系數實驗測量儀器，所述溫控元件包括用于采集液筒溫度的熱電偶，也用于調溫的水循環水套，具有一定的保溫能力。
[0020]上述液體粘滯系數實驗測量儀器，所述溫控裝置包括用于輸入連接熱電偶的溫控儀，緊湊性好，不必做重新設計，該溫控儀輸出連接有加熱裝置，該加熱裝置對水循環水套的水箱進行加熱。
[0021]上述液體粘滯系數實驗測量儀器，還包括一支撐液筒的底板，該底板配有成三角形分布的可調支腳的調整，使液筒處于豎直狀態，相應地，還配有設置在底板上的水平儀。
[0022]優選地，所述水平儀為設置在底板上的水泡水平儀，結構簡單，成本低。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1為依據本實用新型的一種液體粘滯系數實驗測量儀器的結構原理圖。
[0024]圖2為一種液體粘滯系數實驗測量儀器的主視結構示意圖。
[0025]圖中:1.筒底，2.計時終點線，3.液筒，4.筒蓋，5.中心孔，6.液面，7.計時起點線，8.底板,9.托架，10.液標，11.可調支腳。12.光電傳感器,13.光電傳感器,14.豎桿。

【具體實施方式】
[0026]依據本實用新型較佳的實施例的原理說明:
[0027]根據對現有儀器及實驗方法的分析，汲取不同方法的優點，取代單一的實驗分析方法。儀器主要實現了落球法與升球法共同測量液體粘滯系數。利用PID及水循環系統實現了溫度的恒定控制；利用三腳調平設計并配合水平儀進行調平；利用“漏斗狀”筒蓋4以保證小球從液筒3中心下落與上升，漏斗狀的設計還可以保證小球以很小的速度從液筒3中心處下落；此套新型儀器還將液筒3底部改成了錐形，這樣小球在落到液筒底部時方便回收，同時錐形的筒底I與“漏斗狀”的筒蓋4首尾呼應，可以雙向監測下降與上升的小球是否在中軸線上。
[0028]加以輔助地，為了利于液筒豎直狀態的調整，還包括一支撐液筒的底板，該底板配有成三角形分布的可調支腳的調整，使液筒處于豎直狀態，相應地，還配有設置在底板上的水平儀，通過可調支腳。
[0029]水平儀采用最簡單的水泡水平儀，如圖1中所示的液標10，用于確定水泡中的氣泡處于其頂端，方便調整，且成本比較低。
[0030]依據前述的原理說明，接合說明書附圖對本實用新型較佳的實施例進行詳細說明。
[0031]首先關于液筒3，采用立式結構設計，或者說是豎直設置，匹配小球下落的重力線方向，也就是豎向，如圖1所示，液筒3用于承裝待測液體，圖中標號“6”指代液面，小球進入之后有一個加速過程，直到小球處于平衡狀態，也就是重力與液體阻力、粘滯力平衡，小球處于勻速運動狀態，那么計時起點線7所處的液位處，小球需要處于平衡狀態，然后選擇一個計時終點線2，用于整體的計算。
[0032]關于筒蓋4,為底面在上且頂部開有中心孔5的漏斗形筒蓋,或者說漏斗應該有中心孔5，刻意強調中心孔5表示筒蓋4順導小球從液筒3的中心處下落，從而用于實驗用小球順導并經中心孔5通過，以保證測量的準確性。
[0033]進一步配置豎桿14，如圖2所示，平行于液筒3的軸線配置，用于安裝檢測元件，可以直接對小球進行到位檢測。
[0034]加以匹配的，檢測元件分成兩組，匹配前述的計時起點線7和計時終點線2，形成一個計時區間，用于小球平衡狀態下速度的計算。
[0035]一個直徑為d的小球在靜止的液體中下落時，豎直方向受到三個力的作用:重力，液體作用于小球的浮力和粘滯阻力。如果小球速度V很小，且液體在各方向上都無限廣闊，則從流體力學基本方程可以導出粘滯阻力的斯托克斯公式。
[0036]當小球的密度較大，直徑不是很小，而液體的粘滯系數較小時，小球在液體中的平衡速度\會相對較大。
[0037]依據本實用新型的上述結構，可以最大限度的滿足實驗理論斯托克斯理論成立條件為基礎，重新設計制作了這套儀器，以最大程度減小實驗誤差。
[0038]關于檢測元件，在此處顯然需要采用非接觸式檢測，非接觸式檢測主要借助于當前使用比較廣泛的聲、光或者電磁效應，例如采用超聲，利用超聲回波的變化進行小球經過檢測點的準確檢測。
[0039]在一些實施例中，采用光電設備，靈敏性高，只需要按要求配置相關的光電設備即可，方便布置，在此條件下，液筒3需要配置為透明度良好的液筒，如透明玻璃材質的液筒3或者透明度比較好的塑料材質的液筒3。
[0040]關于光電檢測元件，主要是光電傳感器，光電傳感器目前主要有三種類型，分別是對射型、鏡反射型、漫反射型，三種光電傳感器都可以用于移動物體的檢測，各有一定的優缺點，當在結構配置上都是兩邊工作，以滿足發射對接收，或者發射對反射的基本配置。
[0041]有鑒于此，液筒3本身應當不具備較高的反射能力，從而避免產生誤信號。
[0042]如對射型的光電傳感器，優點主要是能夠滿足較長距離的檢測，性能相對比較好，缺點則是兩邊都需要接線，需要兩光電傳感器嚴格對準，成本相對較高。
[0043]由于其他類型的光電傳感器為本領域技術人員所熟知，在此不再贅述。
[0044]下面再看溫度控制，在于液體在不同溫度條件下的粘度會有所不同，溫度的變化會影響粘滯系數的檢測準確性。因而，需要使實驗最好在溫度可控的條件下完成。
[0045]自然，在一些應用，可以在恒溫室來完成，但對于如大學實驗室，這種要求過于苛刻。
[0046]由于水的比熱最大，為了更好的控制溫度，可以采用水浴的方式進行溫度控制，但水浴會影響檢測和布線，在此條件下，可以采用其他的溫度控制方式。
[0047]因而，在一些實施例中，可以在液筒3上布置半包圍結構的水套，避免光電傳感器的檢測受到影響。
[0048]水套內的水采用循環控制，外部設置水循環的水箱和泵浦，同時需要對液筒3進行溫度檢測，形成閉環控制。
[0049]溫度檢測主要采用溫度傳感器，諸如熱電偶的檢測元件結構相對簡單，且成本較低，便于大范圍推廣使用。
[0050]通過閉環控制，使液筒處于溫度可控的狀態。
[0051]本文將最為常用的落球法、升球法、多管法相結合，設計的新型液體粘滯系數的實驗裝置。再進一步的應用中，實驗數據可以通過主控芯片STM32單片機進行處理，并利用串口將數據傳輸至計算機，利用matlab進行數據的深層處理。在此裝置上加入的恒溫控制系統和小球中軸定位系統，以減小溫度和在液體中的運動位置對實驗數據產生的影響，效果顯著。通過實驗數據的對比分析證明，儀器的改進確實有效地減小了實驗誤差，提高了測量結果的精確度。
【權利要求】
1.一種液體粘滯系數實驗測量儀器，其特征在于，包括: 液筒(3)，為立式結構，用于盛裝待測液體； 筒蓋(4)，為底面在上且頂部開有中心孔(5)的漏斗形筒蓋，用于實驗用小球順導并經中心孔(5)通過； 豎桿(14)，平行于液筒軸線設置；以及 上檢測元件，設置在豎桿(14)上下方向預定位置處，構成起點檢測位檢測元件； 下檢測元件，設置在豎桿(14)上相對于上檢測元件的下方，而構成終點檢測位檢測元件。
2.根據權利要求1所述的液體粘滯系數實驗測量儀器，其特征在于，所述上檢測元件和下檢測元件為光電檢測元件。
3.根據權利要求2所述的液體粘滯系數實驗測量儀器，其特征在于，所述豎桿(14)配置為兩根，而分居于液筒(3 )的兩側，從而光電檢測元件采用對射型光電傳感器而相應配置在兩豎桿(14)上。
4.根據權利要求1至3任一所述的液體粘滯系數實驗測量儀器，其特征在于，所述液筒(3)的筒底為錐頂在上的正錐形筒底。
5.根據權利要求1至3任一所述的液體粘滯系數實驗測量儀器，其特征在于，還包括溫控系統，包括溫控裝置和該溫控裝置輸出控制的溫控元件，其中溫控元件配置在液筒(3)上。
6.根據權利要求5所述的液體粘滯系數實驗測量儀器，其特征在于，所述溫控元件配置在液筒(3)的非豎桿(14)所在側。
7.根據權利要求5所述的液體粘滯系數實驗測量儀器，其特征在于，所述溫控元件包括用于采集液筒(3 )溫度的熱電偶，也用于調溫的水循環水套。
8.根據權利要求7所述的液體粘滯系數實驗測量儀器，其特征在于，所述溫控裝置包括用于輸入連接熱電偶的溫控儀，該溫控儀輸出連接有加熱裝置，該加熱裝置對水循環水套的水箱進行加熱。
9.根據權利要求1所述的液體粘滯系數實驗測量儀器，其特征在于，還包括一支撐液筒(3)的底板(8)，該底板(8)配有成三角形分布的可調支腳(11)，相應地，還配有設置在底板(8)上的水平儀。
10.根據權利要求9所述的液體粘滯系數實驗測量儀器，其特征在于，所述水平儀為設置在底板(8)上的水泡水平儀。
【文檔編號】G01N11/12GK204142603SQ201420621010
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年10月27日 優先權日:2014年10月27日
【發明者】王俊平, 陳慶東 申請人:濱州學院