对两种黏度计测量原理的分析与改进

0　引　言

在医药院校的物理实验教学、以及医药行业对药品的检测中,广泛使用奥氏黏度计和乌氏黏度计测量液体的黏度。笔者使用这两种黏度计测量液体的黏度后,通过分析其测量结果误差产生的原因,发现这两种黏度计的结构设计与测量原理值得商榷。本文对奥氏黏度计和乌氏黏度计的测量原理存在的不足进行分析,并对其结构和测量原理提出了改进方法。

1　测量原理分析

1.1　仪器结构

如图1所示,图中形状如U形的玻璃管称为奥氏黏度计,它的一边管子较粗,另一边管子较细,细管中的L为一毛细管,A为一小玻璃球泡,B为一大玻璃球泡,在小玻璃球泡的上下有刻痕m、n。进行测量时将黏度计放入盛水的烧杯内,以保持测量时温度恒定。温度可由插入烧杯内的温度计C读出。黏度计用支架D上的夹子E固定,并使其保持垂直。

乌氏黏度计,其结构如图2所示。该黏度计由A、B、C三根构造不同的玻璃管组成,彼此相通,A管中有玻璃球泡D,B管中有长为l的毛细管、小玻璃球泡E及大玻璃球泡F,大玻璃球泡F上下各有刻痕m、n,C是一弯曲侧管。乌氏黏度计与奥氏黏度计不同之处,在于乌氏黏度计的毛细管下端有侧管C与大气相通,使毛细管下端的压强始终为大气压。

1.2　测量原理

下面先以奥氏黏度计为例来分析其测量原理。设在毛细管中取一半径为r的同轴圆柱液体,如图3所示,圆柱液体的侧面将受到邻近薄层的切向内摩擦力(方向向上),底面受到向上的压力p3πr2,顶面受到向下的压力p2πr2,其重力G=ρglπr2,当各力平衡时有:

上式就是泊肃叶定律。

设液体在黏度计中的瞬时位置如图4所示,应用不可压缩的黏滞性流体作稳定流动时的伯努利方程于

式中W14表示单位体积流体从“1”处流到“4”处克服摩擦力所做的功,也就是因为有摩擦力而引发的能量损耗。因p1=p4=p0(大气压);W14=W12+W23+W34。由流量表达式

当左边液面在m处,时刻为t0,V=0;当液面下降到n处,时刻为t,V=V0(V0为m、n之间的容积,表示在Δt时间内有V0体积的液体从毛细管流出)。变量V表示液体在奥氏黏度计中的瞬时位置的左边液面到上刻痕m处的瞬时容积,如图4所示,显然V的变化必然引起h的变化,h是V的函数,即h=f(V)。用奥氏黏度计测量液体的方法是将体积相同但性质不同的两种液体,先后注入黏度计中,将液体吸入小玻璃球泡A的刻痕m上。测出左边液面从m处下降到n处的时间分别为Δt1和Δt2。由于体积相同、液体在黏度计中的起始位置相同、h的变化相同,故上式的左边积分完全相等,则