集成霍尔开关传感器测量非透明液体的黏度

王本阳，毛晓芹，王新顺，曲文葛，张立彬

(哈尔滨工业大学(威海) 理学院 光电科学系，山东 威海 264209)

在工农业生产、国防建设、环境保护、科学研究以及实验室工作中，经常遇到液体黏度的测量问题. 液体黏度的测量方法较多，如落球法[1-2]、升球法[3]、毛细管法[4]、激光衍射法[5]等，其中，落球法是大学物理实验中简便易行、测量精确度较高且常被采用的方法. 该方法一般用于测量黏性大、有一定透明度的液体. 落球法中小球在液体中下落时间的常见测量方法有：手动秒表测量、光电门测量[6]、CCD拍照测量[7]等. 对于非透明液体，以上测量时间的方法不再适用. 为了克服现有落球法测量非透明液体黏度的不足，本文设计将高灵敏度的集成霍尔开关型传感器引入到该实验中，改进后的实验具有测量精度高、直观方便等优点.

1 实验装置和原理

实验装置如图1所示，待测液体装在带mm刻度(0～40.0cm)的有机玻璃量筒中，量筒顶部有1个小盖子，盖子中心有一小孔，使小磁球下落时沿量筒的轴线. 量筒底部有可调水平的底座. 量筒上套有9cm×15cm的电路板A和电路板B，2块电路板间距为20cm， 电路板上焊有电子元器件. 由带5V电源的自动计时器为电路板上的电子元器件供电，并自动对小磁球从电路板A落到电路板B的距离计时.

图1 实验装置实物图

电路板A的俯视图如图2所示，便携式水平仪可以对电路板A调水平. 在电路板A上装有4个高灵敏度的集成霍尔开关传感器，4个LED感应指示灯以及1片逻辑与门芯片. 这里的4个集成霍尔开关传感器沿量筒的边沿排列成圆形，间隔90°.

实验中的小球为强磁性小球(材料为钕铁硼). 该集成霍尔开关传感器由霍尔发生器、信号放大器、施密特触发器、OC门、三极管等组成,它的正向工作点和释放点的典型值分别为7×10-4T和5×10-4T. 当小球经过电路板A时，4个集成霍尔开关传感器中的任意1个感应到了磁场后，其对应的LED指示灯会熄灭一次. 磁场信号经过集成霍尔开关传感器时产生的电压信号经过放大、整形，输出为高电平或低电平. 4个传感器的信号均经过1片逻辑与门芯片，最后输出总的高电平或低电平来驱动计时器开始计时. 电路板B的电路与电路板A的电路类似. 电路板B上的传感器感应到磁性小球经过时也输出高电平或低电平来驱动计时器停止计时. 此时计时器上会显示出小球下落距离(电路板A到电路板B的距离)所用的时间t.

图2 电路板A的俯视图

2 实验结果

在落球法测量液体黏度的实验中，根据斯托克斯定律，小球受到的黏滞力f为[8]

f=6πηvr,

(1)

式中，η为待测液体的黏度，r为小球半径，v为小球运动速度. 最终可得液体的黏度为[9]

(2)

式中，ρ和ρ0分别为小球和液体的密度，g为重力加速度，d为小球的直径，v0为实验条件下的终极速度，D为量筒的内直径，K为修正系数，这里取K=2.4. 终极速度v0可以通过测量有机玻璃量筒外事先选定的2个标线a和b的距离s和小球经过这段距离所用的时间t得到，即v0=s/t.

以蓖麻油(透明液体)和自制酸奶(非透明液体)为例，通过该方法来测量液体的黏度. 实验中，小球下落距离设置为s=20.00 cm，自制酸奶的密度为ρ01=1 150 kg/m3，蓖麻油的密度为ρ02=957 kg/m3，小球的密度为ρ=6 716 kg/m3,重力加速度为g=9.801 m/s2. 这里，量筒内径为27.83 mm，蓖麻油内小球直径为5.007 mm，自制酸奶内小球直径为7.913 mm，小球在蓖麻油和自制酸奶内下落20.00 cm所用的时间分别为1.946 s和3.743 s. 由式(2)和误差传递公式计算得到环境温度为27 ℃时蓖麻油和酸奶的黏度分别为(0.54±0.01) Pa·s和(2.16±0.03) Pa·s. 蓖麻油在27 ℃时黏度的标准值为0.53 Pa·s，本文测量值的相对误差约为1.9%.

3 结束语

利用钕铁硼强磁小球作为测量中介，通过高灵敏度的集成霍尔开关传感器将磁性小球的磁场信号转化为电压信号，并经过放大和整形后输出2组数字电压信号，该信号分别经过2个逻辑与门芯片后分别驱动计时器开始计时和停止计时，实现了精确测量小球在一定距离内下落的时间. 该实验装置的优势在于：对透明和非透明液体的黏度均可以测量；将落球法测量液体的黏度实验和集成霍尔开关实验有机地结合到一起，引入了数字电路方面的知识，拓展了落球法测量液体黏度实验中利用不同方法测量小球下落时间方面的知识.

参考文献：

[1] 代伟，杨晓晖. 落球法液体黏滞系数测定仪的改进[J]. 大学物理实验,2006,19(4):36-38.

[2] 王雪冬，刘平，王红理，等. 多管黏滞系数测量仪的改进[J]. 大学物理，1997，16(4):20-21.

[3] 魏俊波. 用升球法测量液体的黏滞系数[J]. 纺织高校基础科学学报，2003，16(2):175-177.

[4] 张申余. 毛细管法测液体黏滞系数[J]. 物理实验，1991,11(5)：200-201.

[5] 刘香莲，苗润才，李增生，等. 激光衍射法测量液体黏滞系数[J]. 应用激光，2008，28(2):145-149.

[6] 张潞英，陈国杰，周红仙，等. 液体黏滞系数测量原理分析及仪器研制[J]. 实验科学与技术,2011，9(5):183-186.

[7] 张海林，张爱军. CCD 落球法液体黏滞系数测定仪[J]. 实验技术与管理，2006，23(4):49-51.

[8] 杨亮，马明，邓勇，等. 用落球法测液体的黏滞系数实验中计时起点的确定[J]. 海南师范学院学报(自然科学版)，2005，18(3):241-243.

[9] 具翼，奎金哲. 确定液体黏滞系数(落球法)公式中的修正项系数[J]. 延边大学学报(自然科学版)，1995，21(4)：67-69.