实验13 落球法测量液体的粘滞系数.doc
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1、实验4 落球法测量液体的粘滞系数液体粘滞系数又叫内摩擦系数或粘度,是描述流体内摩擦力性质的一个重要物理量,它表征流体反抗形变的能力,只有在流体内存在相对运动时才表现出来。液体在管道中的传输、机械润滑油的选择、物体在液体中的运动等与都与液体的粘滞系数有关。液体粘滞系数可用落球法,毛细管法,转筒法等测量方法,其中落球法适用于测量粘滞系数(以下简称)较高的液体。的大小取决于液体的性质与温度,温度升高值将迅速减小。如蓖麻油在室温附近温度改变1时值改变约10%。因此,测定液体在不同温度值才有意义,欲准确测量液体的粘滞系数,必须精确控制液体温度。1 实验目的 1.1 观察液体的内摩擦现象,学会用落球法测量
2、不同温度下蓖麻油的粘滞系数。1.2 了解PID温度控制的原理。1.3 练习用停表计时,用螺旋测微器测直径。2 实验仪器 变温粘度仪,ZKY-PID温控实验仪,停表,螺旋测微计,钢球若干。3 仪器介绍3.1 落球法变温粘度仪1.出水孔 2.样品管3.加热水套 4.支架5进水孔 6.底座图11-1 变温粘度仪变温粘度仪的外型如图11-1所示。待测液体装在细长的样品管中,能使液体温度较快的与加热温达到平衡,样品管壁上有刻度线,便于测量小球下落的距离。样品管外的加热水套连接到温控仪,通过热循环水加热样品。底座下有调节螺钉,用于调节样品管的铅直。3.2 开放式PID温控实验仪温控实验仪包含水箱,水泵,加
3、热器,控制及显示电路等部分。温控试验仪内置微处理器,带有液晶显示屏,具有操作菜单化,能根据实验对象选择PID参数以达到最佳控制,能显示温控过程的温度变化曲线和功率变化曲线及温度和功率的实际值,能存储温度及功率变化曲线,控制精度高等特点。开机后,水泵开始运转,显示屏显示操作菜单,可选择工作方式输入序号及室温,设定温度及PID参数使用键选择项目,键设定参数,按确认键进入下一屏,按返回键返回上一屏。进入测量界面后,屏幕上方的数据栏从左至右依次显示序号,设定温度,初始温度,当前温度,当前功率,调节时间等参数。图形区以横坐标代表时间,纵坐标代表温度(以及功率),并可用键改变温度坐标值。仪器每隔15秒采集
4、1次温度及加热功率值,并将采得的数据标示在图上。温度达到设定设定值并保持两分钟温度波动小于0.1度,仪器自动判定达到平衡,并在图形区右边显示过渡时间ts,动态偏差,静态偏差e。一次实验完成退出时,仪器自动将屏幕按设定的序号存储(共可存储10幅),以供必要时查看,分析,比较。3.3 停表PC396电子停表具有多种功能。按功能转换键,待显示屏上方出现符号-且第1和第6、7短横线闪烁时,即进入停表功能。此时按开始/停止键可开始或停止计时,多次按开始/停止键可以累计计时。一次测量完成后,按暂停/回零键使数字回零,准备进行下一次测量。4 实验原理 4.1 落球法测定液体的粘滞系数1个在静止液体中下落的小
5、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V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导出表示粘滞阻力的斯托克斯公式: (11-1)(11-1)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V0匀速下落,此时有: (11-2) (11-2)式中为小球密度,为液体密度,可解出粘滞系数的表达式: (11-3)本实验中,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(11-3)式可修正为: (11-4)当小球的密度较大,直径不是太小
6、,而液体的粘滞系数值又较小时,小球在液体中的平衡速度V0会达到较大值,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: (11-5)其中,Re称为雷诺数,是表征液体运动状态的无量纲参数。 (11-6)当Re小于0.1时可认以(11-1)、(11-4)式成立。当0.1Re1时,应考虑(11-5)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。考虑(11-5)式中1级修正项的影响及玻璃管的影响后,粘滞系数1可表示为: (11-7)由于3Re/16是远小于1的数,将1/(1+3Re/16)按幂数展开后近似为1-3Re/16,(11-7)式又可表示为: (11-8)已知或测量得到
7、、D、d、v等参数后,由(11-4)式计算粘滞系数,再由(11-6)式计算Re,若计算Re的1级修正,则由(11-8)式计算经修正的粘滞系数。在国际单位制中,的单位是PaS(帕斯卡秒)即kgm-1s-1,在厘米,克,秒制中,的单位是P(泊)或cP(厘泊),它们之间的换算关系是:1PaS=10P=1000cP (11-9)4.2 PID调节原理 PID调节是自动控制系统中应用最广泛的一种调节规律,自动控制系统的原理可用图11-2说明。 e(t) u(t) 操作量设定值调节器执行单元被控对象被控量扰动图11-2 自动控制系统框图假如被控量与设定值之间有偏差e(t)=设定值被控量,调节器依据e(t)
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