基于落球法的液体粘度测量方法研究

项目选题意义：

现今的全球问题无疑是能源问题，因为能源引起的战争也不计其数，而未来国与国之间的竞争主要还是能源战。因此研究石油的粘性至关重要，由粘性测试数据可以判断石油所在的层次从而分辨出其纯度，这样可以判断测试区域内的石油含量以决定是否开采。这样可以节省资源，不浪费人力物力在没有利用价值的地域上。当今社会商品的质量也是很值得关注的问题，有些饮品，奶粉都掺杂其他有害的成分，而粘度是用来判断其成分纯度的重要指标。

液体粘度概述

当液体在稳定流动时，一般情况下属于稳定层流的情况，也就是同一层面上的液体流动状态完全相同。如果液体的内部各层之间的流动速度不同，那么液体内部相邻的层之间就会产生相对运动，则液体内部的该两层之间便会产生相互作用力，称为粘性力，衡量这个粘性力大小的一个物理量称为粘度。

粘度是液体的一个固有属性，其大小由于液体的种类不同而不同，同时外界环境的温度、压力等因素也影响着液体的粘度。

所有液体都是具有粘滞性的，生活中的很多现象都说明了这一点。例如，当使一个盛满液体的容器围绕其竖直轴心旋转时，其内部的液体也会跟着旋转，这正是因为液体在容器壁处受到了液体与容器之间的粘滞力所引起的。首先，容器的旋转，使紧邻容器壁的一层液体由于粘性力的作用也跟着旋转。然后，紧邻容器壁的一层液体又由于粘性力的作用带着与其相邻的一层液体旋转。这样，容器中的所有液体都会由于粘性力的作用跟着旋转了。只是越往里的液体层的旋转速度越小。

同样，在管道中流动的液体也是如此。由于管道壁是静止的，所以就会使紧邻管道壁的一薄层液体也处于静止状态，这层液体也约束着与其相邻层的液体的流动。所以，在管道中流动着的液体分成了无数的薄层，随着薄层距离管道壁的距离越接近，液体的流动速度越慢，其速度分布图如图所示。

管道液体层速度分布示意图

主要测量原理及方案论证

方案一：

以上述原理为基础，采用一种基于电磁感应的液体粘度测量方法，本方案结构简单，易于实现，抗干扰能力强，适合于现场环境下的在线测量。其主要由控制测量电路、柱状不锈钢容器、两个环形电磁线圈组成，在柱状不锈钢容器中有一个圆柱形高剩磁耐高温永久磁铁作为运动活塞。这样在电磁线圈与活塞之间可以提供很大的作用力，从而提高仪器测量灵敏度和增加测量范围，并能减少样品中杂质对测量的影响，提高仪器的测量精度^[26]。

该方法的工作原理是:在测量室的两端分别安装一个电磁线圈，测量室内部有一个圆柱形高剩磁耐高温永久磁铁作为活塞。当其中的"B"线圈被激活时，活塞被电磁力牵动而往测量室B端运动。此时被截流的入口处的液体被迫在活塞的周围流动。液体越粘，活塞运动就越慢。在这一过程中 "A"线圈用来监测活塞的运动。活塞一旦抵达测量室B端，上面的"A"线圈就会被激活而 "B"线圈开始监测。在这个过程中，不断地有液体被引入到活塞周围。同时"B"线圈监控活塞运动。当活塞再次接近测量室A端时，"B"线圈就会被重新激活，开始重复以前的过程。由信号采集处理单元测得活塞往复运动的时间，便可以根据液体粘度与活塞往复运动时间的数学模型计算出液体的粘度。下图是该方法的结构原理示意图。

方案二：

以上述原理为基础，主要通过一个支架，两边分别有滑轮，一边放一个一定质量的小球，另一边放一个一定质量的参考源，两个物体通过一根光滑的引线连接，跨过两个定滑轮滑动，在中间的钢杆放四个传感器，引线上放一个黑色轻纸板，通过感应高低电平来计算通过每两个之间传感器的时间从而判断是否匀速运动，进而通过数学模型计算出液体粘性。本方案方法结构简单，易于实现，但是不适合于现场环境下的在线测量，下图是该方法的结构原理示意图。

由于方案一的机械部分较难做，检测电磁场产生的电压信号误差很大，不容易控制，最终选择方案二。

数学模型

如图所示，让小球下落进入待测液体中，小球刚落进液体时作加速运动，随着其速度的增大，它收到的粘性力不读那增大，直至它所受的合理为零，这时小球匀速下落 根据物体的平衡条件，课的平衡方程为:

式中F粘为小球收到的粘性力，根据斯托克托公式F粘=，其中r为小球的半径，为待测液体的粘度，v为小球在液体中下落的速度，F浮为小球所受到的浮力，F浮=,其中为待测液体密度，g为当地的重力加速度，F滑轮为两滑轮的阻力，将这些带入公式，进而推出理想粘度公式：

式中为滑轮的阻力系数。

但是在测量时，待测液体是盛放在容器里的，并不