利用視頻分析軟件和分析天平改進(jìn)落球法測(cè)液體黏度

鄭林靜，吳 鋒，孟麗娟

(鹽城工學(xué)院 a.海洋與生物工程學(xué)院；b.數(shù)理學(xué)院，江蘇 鹽城 224051)

液體黏度的研究在水利、醫(yī)療和化工等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用價(jià)值[1-2]. 實(shí)驗(yàn)室中，落球法是測(cè)定液體黏度的最常用方法，測(cè)量黏度的公式為

(1)

其中，ρ為小球密度，ρ0為液體密度，g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣龋琩為小球直徑，v為小球的終極速度，m為小球質(zhì)量，r為小球半徑. 由不確定度傳遞公式可知，η的誤差主要來(lái)自ρ0,v,m和ρ等的測(cè)量.

針對(duì)ρ0和ρ的測(cè)量誤差，文獻(xiàn)[3]通過(guò)引入與小球同材質(zhì)的大物體，提高了ρ0/ρ的測(cè)量精度，改善了液體黏度的測(cè)量精度. 然而，改進(jìn)后的落球法仍存在不足:一是利用目視手動(dòng)方法測(cè)量v，另一個(gè)是利用物理天平測(cè)量小球質(zhì)量. 針對(duì)v的測(cè)量誤差較大，文獻(xiàn)[4]利用視頻分析法代替目視手動(dòng)方法，提高了v的測(cè)量精度. 本文結(jié)合文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]的優(yōu)點(diǎn)，并改用分析天平稱量物體質(zhì)量，確定液體黏度. 由此測(cè)得蓖麻油的黏度，與標(biāo)準(zhǔn)值吻合，而且精度比傳統(tǒng)落球法的結(jié)果提高了近1個(gè)數(shù)量級(jí).

1 實(shí)驗(yàn)原理和方法

1.1 改進(jìn)的落球法

由式(1)有

(2)

式中，m的測(cè)量采用舜宇恒平FA2004電子分析天平(量程200 g，分度值0.1 mg)，ρ0/ρ的測(cè)量轉(zhuǎn)換為與小球同材質(zhì)的大球質(zhì)量mB及相關(guān)物體質(zhì)量的測(cè)量[3,5]——先用分析天平稱出mB和盛有適量待測(cè)液體后的燒杯質(zhì)量m1，然后再稱出大球懸沒(méi)于該燒杯中液體后(見(jiàn)圖1左圖，輕質(zhì)細(xì)線一端粘著大球并懸沒(méi)于待測(cè)液體中，細(xì)線另一端系于固定在分析天平頂蓋內(nèi)側(cè)中心的無(wú)粘掛鉤上)燒杯的質(zhì)量m2，則

ρ0=(m2-m1)/VB，

ρ0/ρ=(m2-m1)/mB，

所以

(3)

其中VB為大球的體積.

考慮容器的幾何因素對(duì)斯托克斯公式的影響，式(3)修正為[6]

(4)

式中，D為容器內(nèi)徑，H為液柱深度.

考慮液體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)斯托克斯公式的影響，在雷諾數(shù)Re(取為ρ0vd/η1)較小時(shí)，式(4)進(jìn)一步修正為[7-8]

(5)

式中1 280在一些文獻(xiàn)中被誤寫(xiě)為1 080.

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖

1.2 視頻分析法確定小球的終極速度

將智能手機(jī)(拍攝幀率為30 s-1，圖像分辨率為1 920×1 080)安置于三腳架上. 為確保拍攝質(zhì)量，調(diào)節(jié)手機(jī)攝像頭的拍攝焦平面與容器內(nèi)液柱中心軸線平行，調(diào)節(jié)三腳架使手機(jī)攝像頭對(duì)準(zhǔn)容器中待測(cè)液體中部，同時(shí)與容器保持適當(dāng)距離避免視差. 接著在容器頂部安置中心開(kāi)孔的小蓋子以控制小球沿軸線下落. 為給視頻分析提供長(zhǎng)

度標(biāo)度，利用鐵架臺(tái)、十字夾和萬(wàn)用夾在容器管壁緊貼固定厘米刻度鋼尺，并使該尺平面通過(guò)容器內(nèi)液柱中心軸線(見(jiàn)圖1). 為避免手動(dòng)操作導(dǎo)致手機(jī)拍攝面的抖動(dòng)，用與三腳架相配套的藍(lán)牙遙控控制手機(jī)拍攝. 最后，利用視頻分析軟件Tracker[4]實(shí)時(shí)追蹤小球的位置，并由內(nèi)置的最小二乘擬合功能得到小球的終極速度v.

2 測(cè)量結(jié)果和分析

選用同一型號(hào)精密不銹鋼球作為落球測(cè)量蓖麻油(分析純)的黏度，所有物體的質(zhì)量用上述電子分析天平(儀器允差與具體稱量的物體質(zhì)量占量程的比例有關(guān)，取值參見(jiàn)文獻(xiàn)[9])稱量. 容器內(nèi)徑D=63.94 mm，容器中油深H=39.00 cm，油溫T=24.92 ℃，大球直徑dB=25.07 mm，所在地區(qū)重力加速度[10]g=9.795 9 m/s2. 考慮到實(shí)際測(cè)量中一般用到多個(gè)小球，通過(guò)螺旋測(cè)微器隨機(jī)測(cè)量6粒不同小球的直徑(見(jiàn)表1)得到單個(gè)小球的直徑d=(2.494±0.003) mm；隨機(jī)測(cè)量6粒不同小球的質(zhì)量，得到單個(gè)小球質(zhì)量m=(65.97±0.56) mg. 此外，由表1數(shù)據(jù)還得，mB=(64.919±0.001) g，m1=(151.592±0.001) g，m2=(159.446±0.002) g.

表1 小球的直徑和質(zhì)量等測(cè)量數(shù)據(jù)和結(jié)果

為確定小球下落(測(cè)6次)的終極速度v，先用Tracker軟件繪制出小球在蓖麻油中下落的速度-時(shí)間曲線[如圖2(a)所示]，根據(jù)曲線確定小球勻速下落的時(shí)間段，再對(duì)小球在該時(shí)間段內(nèi)的位移x-時(shí)間t進(jìn)行線性最小二乘擬合[如圖2(b)所示]，從而得到v及其不確定度uv(表1). 這里計(jì)算出的uv只考慮了隨機(jī)誤差，所以u(píng)v的數(shù)值只反映了在v的測(cè)量中隨機(jī)誤差很小. 注意到6次測(cè)量的v值間差異達(dá)到1×10-4m/s，這說(shuō)明測(cè)量v時(shí)還存在確定性誤差(例如相機(jī)感光相元尺寸對(duì)位置測(cè)量精度的限制，幀頻和曝光時(shí)間對(duì)時(shí)間測(cè)量精度的限制)，所以v的測(cè)量值只有3位有效數(shù)字. 由于小球直徑/半徑的測(cè)量值有4位有效數(shù)字，結(jié)合式(3)可知，小球質(zhì)量的測(cè)量值至少應(yīng)該有3位有效數(shù)字，而使用物理天平測(cè)量小球質(zhì)量達(dá)不到3位有效數(shù)字，進(jìn)而成為限制測(cè)量精度提高的主要因素，所以利用精度更高的分析天平測(cè)量小球質(zhì)量十分必要.

現(xiàn)將計(jì)算出的v代入式(4)，算出蓖麻油黏度η1及雷諾數(shù)Re. 由于Re=0.1非常小，僅考慮容器幾何效應(yīng)得到的η1已與標(biāo)準(zhǔn)值0.658 4 Pa·s(根據(jù)文獻(xiàn)[11]的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出的公式η=5.529 2e-0.085 390 T計(jì)算)相當(dāng)吻合. 若再對(duì)η1進(jìn)行雷諾數(shù)修正到二級(jí)近似，那么由此確定的蓖麻油黏度η2已足夠準(zhǔn)確.

(a)速度-時(shí)間曲線

(b)勻速段位移隨時(shí)間的變化及其線性擬合結(jié)果圖2 第3次測(cè)量時(shí)小球下落的速度和位移

根據(jù)不確定度傳遞公式計(jì)算η2的不確定度uη2. 若直接計(jì)算，過(guò)程比較復(fù)雜，但是因?yàn)镽e很小且d?D,d?H，所以u(píng)η2≈uη. 計(jì)算可得，6次測(cè)量中η2的相對(duì)誤差為0.96%或0.97%. 作為對(duì)比，使用目視手動(dòng)方法測(cè)量了上述6次小球下落終極速度，得到η2=(0.676±0.017) Pa·s，相對(duì)誤差為2.4%. 可見(jiàn)，融入視頻分析法改進(jìn)后，落球法測(cè)量結(jié)果的相對(duì)誤差減小為目視手動(dòng)測(cè)量結(jié)果的2/5.

3 討 論

對(duì)利用分析天平代替物理天平稱量小球質(zhì)量的原因和意義進(jìn)一步剖析. 文獻(xiàn)[3]結(jié)合物理天平對(duì)傳統(tǒng)落球法進(jìn)行了改進(jìn)，提高了黏度的測(cè)量精度. 經(jīng)計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)，文獻(xiàn)[3]中小球質(zhì)量的測(cè)量誤差是限制液體黏度精度大幅提高的主要因素. 如果小球質(zhì)量的測(cè)量不確定度減小為原來(lái)的1/10，那么由文獻(xiàn)[3]改進(jìn)的落球法得到的黏度的相對(duì)誤差將減小為原來(lái)的1/3. 所以使用分析天平稱量小球質(zhì)量能大幅度降低小球質(zhì)量的測(cè)量誤差，提高液體黏度的測(cè)量精度. 如果進(jìn)一步融入視頻分析法來(lái)測(cè)量液體黏度，那么可以估算，所得液體黏度的相對(duì)誤差約為傳統(tǒng)落球法的2/15. 也就是說(shuō)，液體黏度的測(cè)量精度將比傳統(tǒng)落球法的精度提高了近一個(gè)數(shù)量級(jí).

4 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]的方法改進(jìn)落球法測(cè)量液體黏度后，限制測(cè)量精度的主要因素就變?yōu)樾∏蛸|(zhì)量的測(cè)量. 為使小球質(zhì)量的測(cè)量精度與小球直徑和終極速度的相當(dāng)，應(yīng)該采用精度更高的分析天平來(lái)測(cè)量. 測(cè)量結(jié)果表明，所得液體黏度的精度得到提升. 將物理分析與視頻分析相結(jié)合的模式，對(duì)挖掘物理實(shí)驗(yàn)的內(nèi)涵和培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力都有參考價(jià)值.