旋转粘度计实验指导

实验1 用旋转粘度计测量液体的粘度
在工业技术和科研应用技术领域中，液体粘度的测量具有很重要的实用价值。

本实验作为仪器应用型的物理实验，用ＮＤＪ—5S型旋转粘度计来测量液体的粘度。

ＮＤＪ—5S型旋转粘度计是液体粘度测量的专用仪器，它可以对树脂、油漆、涂料、乳胶、胶粘剂、石油、洗涤剂等物质的绝对粘度或表观粘度进行测量。

仪器操作简便，灵敏度高，可靠性强，测量过程用电脑控制，测量结果可直接用数字显示粘度值。

【预习重点】
（１）用旋转粘度计测量粘度的工作原理和方法。

（２）旋转粘度计的构造和调节使用方法。

图1—１旋转粘度计
【仪器】
ＮＤＪ—5S型旋转粘度计（图1—１），烧杯、天平等。

【原理】
图1—２（ａ）为旋转粘度计的原理图。

Ａ为转子，它由电动机主轴通过游丝带动缓慢旋转，Ｂ为内径大于7ｃｍ的烧杯。

把待测液体置于烧杯中（液面与转子细颈下沿对齐），当电动机主轴以一定转速ｗ0旋转时，转子Ａ通过游丝带动跟着旋转。

稳定时，转子Ａ受到的粘性力矩与游丝恢复力矩平衡，此时转子Ａ也以转速ｗ0旋转，而转子Ａ与电动机主轴相对错移了一个角度θ（即游丝旋紧了θ角）。

在转子Ａ转速不太高（不引起湍流）的条件下，液体保持很好的分层转动，转速以转子表面附着层的ｗ0向外逐层降低，直到烧杯内壁的附着层转速为零。

如果在转子Ａ附近任取一半径为ｒ的同心圆柱面，如图1—２（ｂ）所示，在这个柱面液层上相互作用的力矩
（1—１）
式中：η为粘度；ｌ为转子高度。

由于液体处于稳定旋转状态，各层都以各自稳定的角速度旋转，液层间相互作用的力矩都相等，而且都等于转子Ａ所受的游丝弹性恢复力矩Ｄθ（Ｄ为游丝的扭转系数），于是有
（1—２）
对上式积分，并利用ｒ＝ａ时ｗ＝ｗ0，ｒ→ｂ时ｗ＝０的条件（ａ为转子半径，ｂ为烧杯半径）得
由于ｂ>>ａ，所以
（1—３）
令
考虑到转子Ａ的上下两端面也必定有粘性力矩作用，所以对ｋ′应作一定的修正，于是被测液体粘度
η＝ｋθ（1—４）
式中：ｋ为仪器系数，由游丝扭转系数、转子结构及转速等决定。

仪器电路部分采用了微处理器，能自动转换量程，用数码管直接显示被测粘度值（Ｐa·ｓ），还可以设定或检查转子编号。

图1—２旋转粘度计原理
【实验要求】
（１）调节仪器实验架底座上的３个螺钉使仪器后面水平仪的气泡处于圈中央。

表1—１转子转速组合表
转子编号所对应的转子规格见图1—３。

（２）将被测液体倒入烧杯里，为保持液体测量时温度恒定，应用恒温浴槽控制温度，测不同温度条件下的液体粘度值。

（３）估计被测流体粘度范围，按表1—１选择转子编号与转子转速，欲测的粘度值尽可能处于所选量程上限的30％～９０％之内，此为最佳测量范围，如果难以达到，则必须使欲测粘度值大于所选量程上限的1０％以上。

图1—３转子规格
（４）徐徐下降仪器，将转子浸入烧杯内液体中，调整转子浸入深度（短距离可用升降螺母调节），使液面达到转子细颈下沿。

此时应检查水平仪气泡是否在圈中央。

（５）启动“电源”开关，接通“电机”开关，转子以预选的转速开始旋转。

注意：在首次使用时应先选择转子编号，否则仪器默认为一号转子，以后使用仪器将保持上次关机时的状态。

（６）设定转子编号，将面板上“转子选择”按钮按下，暂不松开，此时仪器ＬＥＤ将从数字“１”开始，依次显示到“４”，当Ｌ
ＥＤ显示到预选好的转子编号时，即松开转子选择按钮，此后仪器就开始测量，ＬＥＤ显示数字。

（７）待仪器显示稳定以后，即可开始读取显示值，显示方式选择开关弹起时，显示值为粘度值（Ｐａ·ｓ），开关按下时显示值为该量程的百分刻度值；若被测试材料粘度值超过所选量程满度时，仪器将显示４位“ＵＵＵＵ”的超量程符号，此时应另选转速或转子组合，使用中如需更换转子，必须停机后进行。

将仪器升起，让转子完全离开液体表面，然后才更换转子。

【数据处理】
测定不同浓度的聚乙二醇水溶液的粘度, 将测量数据记入自行设计的数据表格中。

【问题】
如何选择合适型号的转子？。