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1、第第9章章 流体密度、温度测量流体密度、温度测量9.1 不可压缩流体密度测量不可压缩流体密度测量9.2 可压缩流体密度场测量可压缩流体密度场测量9.3 密度场定量测量密度场定量测量9.4 流体温度测量流体温度测量USTCChapter 9 Measurements of Density and Temperature in Fluid Flow9.1 Measurements of density in incompressible fluid9.2 Measurements of density field in compressible fluid9.3 Quantity measurem
2、ents of density field9.4 Measurements of temperature in fluidUSTC9.1 不可压缩流体密度测量不可压缩流体密度测量密度计、称量法（液体）密度计、称量法（液体）间接测量（气体）间接测量（气体）USTC如果气体不满足上述状态方程，什么办？（比如过热蒸汽）如果气体不满足上述状态方程，什么办？（比如过热蒸汽）9.1 不可压缩流体密度测量不可压缩流体密度测量测量物体密度的方法测量物体密度的方法测量物体密度的方法多种多样，大致可归纳出以下几种测量方法:测固体密度测固体密度 测液体密度测液体密度 测气体密度测气体密度USTC一、一、测固体密度测
3、固体密度 1 1 称量法：称量法：器材：天平、量筒、水、金属块、细绳步骤：（1）用天平称出金属块的质量m；（2）往量筒中注入适量水，读出体积为V1；（3）用细绳系住金属块放入量筒中，浸没，读出体积为V2。计算表达式：=m/(V2-V1)2 2 比重杯法：比重杯法：器材：烧杯、水、金属块、天平步骤：（1）往烧杯装满水，放在天平上称出质量为m1；（2）将金属块轻轻放入水中，溢出部分水，再将烧杯放在天平上称出质量为m2;（3）将金属块取出，把烧杯放在天平上称出烧杯和剩下水的质量m3。计算表达式：=水(m2-m3)/(m1-m3)3 3 阿基米德定律法：阿基米德定律法：器材：弹簧秤、金属块、水、细绳步
4、骤：（1）用细绳系住金属块，用弹簧秤称出金属块的重力G；（2）将金属块完全浸入水中，用弹簧秤称出金属块在水中的视重G*。计算表达式：=G水/(G-G*)USTC4 4 浮力法浮力法(一一)：器材：木块、水、细针、量筒步骤：（1）往量筒中注入适量水，读出体积为V1；（2）将木块放入水中，漂浮，静止后读出体积V2；（3）用细针插入木块，将木块完全浸入水中，读出体积为V3。计算表达式：=水(V2-V1)/(V3-V1)5 5 浮力法（二）浮力法（二）：器材：刻度尺、圆筒杯、水、小塑料杯、小石块步骤：（1）在圆筒杯内放入适量水，再将塑料杯杯口朝上轻轻放入，让其漂浮，用刻度尺测出杯中水的高度h1;（2）
5、将小石块轻轻放入杯中，漂浮，用刻度尺测出水的高度 h2;（3）将小石块从杯中取出，放入水中，下沉，用刻度尺测出水的高度h3。计算表达式：=水(h2-h1)/(h3-h1)6 6 密度计法：密度计法：器材：鸡蛋、密度计、水、盐、玻璃杯步骤：（1）在玻璃杯中倒入适量水，将鸡蛋轻轻放入，鸡蛋下沉；（2）往水中逐渐加盐，边加边用密度计搅拌，直至鸡蛋漂浮，用密度计测出盐水的密度即等到于鸡蛋的密度。USTC一、一、测液体密度测液体密度 1 1 称量法：称量法：器材：烧杯、量筒、天平、待测液体步骤：（1）用天平称出烧杯的质量m1；（2）将待测液体倒入烧杯中，测出总质量m2；（3）将烧杯中的液体倒入量筒中，测
6、出体积V。计算表达：=(m2-m1)/V2 2 比重杯法比重杯法:器材：烧杯、水、待液体、天平步骤：（1）用天平称出烧杯的质量m1；（2）往烧杯内倒满水，称出总质量m2；（3）倒去烧杯中的水，往烧杯中倒满待测液体，称出总质量m3。计算表达：=水(m3-m1)/(m2-m1)USTC3 3 阿基米德定律法：阿基米德定律法：器材：弹簧秤、水、待测液体、小石块、细绳子步骤：（1）用细绳系住小石块，用弹簧秤称出小石块的重力G；（2）将小块浸没入水中，用弹簧秤称出小石的视重G1；（3）将小块浸没入待测液体中，用弹簧秤称出小石块的视重G2。计算表达：=水(G-G2)/(G-G1)4 U4 U形管法：形管法
7、：器材：U形管、水、待测液体、刻度尺步骤：（1）将适量水倒入U形管中；（2）将待测液体从U形管的一个管口沿壁缓慢注入。（3）用刻度尺测出管中水的高度h1,待测液体的高度h2。计算表达:=水h1/h2(注意:用此种方法的条件是:待测液体不溶于水,待测液体的密度小于水的密度)5 5 密度计法：密度计法：器材：密度计、待测液体方法：将密度计放入待测液体中，直接读出密度。USTCPY-05十支组石油标准密度计十支组石油标准密度计USTC序号测量范围g/ml分度值g/ml温度全长mm读数10.600-0.6500.00052033010下缘20.650-0.7000.00052033010下缘30.70
8、0-0.7500.00052033010下缘40.750-0.8000.00052033010下缘50.800-0.8500.00052033010下缘60.850-0.9000.00052033010下缘70.900-0.9500.00052033010下缘80.950-1.0000.00052033010下缘91.000-1.0500.00052033010下缘101.050-1.1000.00052033010下缘KEM生产的DA系列密度计是利用U型管振荡原理，通过测量样品的共振频率来测定各种液体样品的密度。广泛应用于原油及石油产品、化工产品、酒类及软饮料、食品、食用油、医药产品、电子产
9、品及半导体等行业。USTCDADA系列密度计系列密度计USTCDA-100DA-130/130/N测定范围03g/cm(内置式温度控制)02g/cm(内置式温度控制)测量精度10-3g/cm310-3g/cm3温度范围1540040温度精度0.50.1温度补偿无有白度显示无无主要特点内置温控器，测量稳定快捷，测量单元拥有高精度热传感器，功能齐全，通过转换可得到浓度。取样容积和速度完全手工控制，携带轻便，操作简单，粘度高达2000mPa.s的粘液均可被采样，可测量密度，温度补偿密度，比重，温度补偿比重，Brix%，酒精浓度，硫酸浓度，API度，Baume度，Plato和Proof度等。USTCD
10、A-520DA-510DA-505DA-500测定范围03g/cm03g/cm03g/cm03g/cm测量精度210-5g/cm3210-5g/cm3510-5g/cm310-4g/cm3重现性(SD)510-6g/cm3510-6g/cm3110-5g/cm3510-5g/cm3温度范围470470490490温度精度0.020.020.030.05粘度补偿有-有-温度补偿有有有有白度显示有有有有自动粘度修正功能（DA-520、DA-505N），PC卡扩展内存，标准RS-232C接口，大液晶显示屏：24064液晶，带背光，内置清洗泵和温控，Brix浓度，酒精浓度转化和原油产品转化表，可与折光
11、仪联机，可同时获得密度和折光率，SOFT-CAPE采集软件，MS-EXCEL和CSV格式。DMA4500密度计密度计主要特点主要特点 采用内置帕尔贴恒温装置；样品可以通过全自动进样器SP3M或SH3实现自动进样或自动清洗；每次测量仅需5ml左右的样品；同时可测量密度及折光指数；DMA4500密度计示屏上可同时显示密度及折光两个参数，并可贮存或通过打印机打印出来；仪器通过自动进样器可实现全自动进样，清洗及吹干；仪器设计紧凑，几乎无需维修保养。USTC技术参数技术参数测量范围：03g/cm3准确度：5x10-5g/cm3重复性/精度：1x10-5g/cm3温度准确度：0.03测量时间：1分钟15-
12、30秒仪器介绍仪器介绍奥地利AntonPaar（安东帕）公司于1968年发明首创的振荡管原理的数字式密度计，可快速准确的测量液体密度以及与密度相关的浓度，广泛应用于石化，制药，日化，商检，及饮料等领域。并且新型产品可与电脑打印机及折光仪联机，实现更为全面及强大的功能应用。广泛应用于全球各大啤酒、饮料、化工及石化行业的生产线上。USTC数字式密度计数字式密度计DMA4500技术参数技术参数 测量范围:0-3g/cm3准确度：密度5x10-5g/cm3；温度0.03重现性sd.密度1x10-5g/cm3；温度0.01温度范围:0-90，可根据要求提供更大控温范围压力范围:0-10bars(0to1
13、50psi)最少样品量：Approx.1ml样品接触材质:PTFE,borosilicateglass通常样品测量时间:Approx.30seconds；使用自动进样器:10-30perhourUSTC主要特点主要特点 内置参考测量池（专利技术）内置参考测量池（专利技术）可避免系统漂移并缩短测量时间，在090温度范围只需进行一次校正 内置恒温及温度感应器内置恒温及温度感应器无需外接控温装置，其内置温度感应器可校正并溯源到多个国际标准 全范围粘度自动修正全范围粘度自动修正无需配置粘度标准，测试结果可同时显示修正值及非修正值USTC数字式密度计型号有：数字式密度计型号有：DMA35N便携式密度计-
14、适用于电池工业，石化，日化等；DMA38-适用于石油化工，制药等；DMA4500/RXA170全自动密度计折光率仪-适用于香精香料，日化，烟草；DMA4500-适用于石油，化工，饮料，日用化工等；DMA5000-适用于啤酒，血液研究，核工业等；DMA5000-适用于啤酒，血液研究，核工业等；密度密度/折光联用仪型号有：折光联用仪型号有：DMA4500/RXA156，DMA4500/RXA170-适用于香精香料、烟草、航空燃油等；运动粘度运动粘度/密度计型号：密度计型号：SVM3000-适用于石油、化工及高分子等行业；落球式粘度计型号：落球式粘度计型号：AMVn-适用于油墨、液晶、麦芽等行业；在
15、线密度在线密度/浓度计型号浓度计型号：DPRn/SPRn/DSRn-适用于饮料、啤酒、化工等行业；USTCH-BD5DS1741手持式液体密度计手持式液体密度计测试范围：0-3.00000g/cc;准确度：1%R;重复精度：0.1%R;介质最高温度:120DS1741采用平面纵波行波声阻抗率测试技术测试密度。密度与声阻抗成正比。适用于所有牛顿流体和大部分非牛顿流体。USTCvU型管振荡原理型管振荡原理A long vertical U-tube of constant cross-sectional area A has both ends open to the atmosphere and
16、 contains liquid of density.The liquid fills each leg to a height h.If the liquid is given a small displacement and released,what is the form of the equation for the period of the resulting oscillatory motion?Neglect friction.USTCllh第一种方法：量纲分析法第一种方法：量纲分析法分析：分析：重力是引起液体柱振荡的恢复力。液柱振荡的周期T 依赖于重力加速度g 和液柱的质
17、量。（1）写出决定现象的物理量和量纲（）写出决定现象的物理量和量纲（SI制）制）（2）写出量纲矩阵）写出量纲矩阵USTC（3）确定重复变量并检查子行列式（线性无关）确定重复变量并检查子行列式（线性无关）选择，g,h（4）求相似参数）求相似参数USTCllh第二种方法：振动分析第二种方法：振动分析分析：分析：重力是引起液体柱振荡的恢复力。液柱振荡的频率,液柱的质量m。第三种方法：非定常伯努利方程第三种方法：非定常伯努利方程.Oscillating U-tube principle:TheoscillatingU-tubedensitymeterisbasedontheprincipleofaU-
18、tubewhichhasaresonantfrequencythatisinverselyproportionaltothesquarerootofitsmass.Thevolumeofthetubeisgiven;thedensityoftheliquidsamplefilledintotheU-tubeiscalculatedfromitsresonantfrequency.?9.2 可压缩流体密度场测量可压缩流体密度场测量1 密度和折射率关系密度和折射率关系2 2 光线通过折射率场时发生弯曲光线通过折射率场时发生弯曲3 3 阴影仪阴影仪4 4 纹影仪纹影仪USTC9.2 可压缩流体密度场
19、测量可压缩流体密度场测量1 密度和折射率关系密度和折射率关系 光光线线透透过过不不均均匀匀的的折折射射率率场场时时，一一般般会会发发生生以下两种类型的变化：以下两种类型的变化：(1)(1)光线传播偏离原来的方向；光线传播偏离原来的方向；(2)(2)扰动光线相对未扰动光线发生位相差。扰动光线相对未扰动光线发生位相差。USTC9.2 可压缩流体密度场测量可压缩流体密度场测量1 密度和折射率关系密度和折射率关系 USTC这个公式如何得到的？这个公式如何得到的？适用范围？适用范围？9.2 可压缩流体密度场测量可压缩流体密度场测量1 密度和折射率关系密度和折射率关系v Glasdtone-Dale公式只
20、适用于中低温气体。公式只适用于中低温气体。v 对混合气体对混合气体USTC9.2 可压缩流体密度场测量可压缩流体密度场测量2 2 光线通过折射率场时发生弯曲光线通过折射率场时发生弯曲 USTC121212USTCXYABCDd REdsdRO(ds)密度增密度增大方向大方向rarbUSTC光束光束ra的光速为的光速为C，光束，光束rb的光速为的光速为C+dC。dt 时间内时间内光束光束ra走了走了dS 距离，距离，光束光束rb比光束比光束ra 多走了多走了(dS)距离。距离。9.2 可压缩流体密度场测量可压缩流体密度场测量2 2 光线通过折射率场时发生弯曲光线通过折射率场时发生弯曲 光线在变密
21、度场中传播时将发生弯曲，光线向光线在变密度场中传播时将发生弯曲，光线向密度增加的方向偏转。密度增加的方向偏转。光线弯曲的曲率光线弯曲的曲率1/R正比于沿光线传播路径法正比于沿光线传播路径法线方向的密度变化线方向的密度变化 d /dR。USTC9.2 可压缩流体密度场测量可压缩流体密度场测量2 2 光线通过折射率场时发生弯曲光线通过折射率场时发生弯曲 USTC Q*Q入入射射光光线线未扰动光线未扰动光线扰动光线扰动光线9.2 可压缩流体密度场测量可压缩流体密度场测量USTC Q*Qablxy9.2 可压缩流体密度场测量可压缩流体密度场测量USTC3 3 阴影仪阴影仪（Shadowngraphy）
22、lxyL9.2 可压缩流体密度场测量可压缩流体密度场测量USTC3 3 阴影仪阴影仪（Shadowngraphy）dxL xL(x+x)dyL yL(y+y)9.2 可压缩流体密度场测量可压缩流体密度场测量USTC3 3 阴影仪阴影仪（Shadowngraphy）阴影仪显示了密度的二阶导数。阴影仪显示了密度的二阶导数。USTC阴影图阴影图USTC阴影图阴影图9.2 可压缩流体密度场测量可压缩流体密度场测量USTC3 3 纹影仪纹影仪（Schlieren）M1M2KPhL2L1Sf 29.2 可压缩流体密度场测量可压缩流体密度场测量USTC3 3 纹影仪纹影仪（Schlieren）yf 2K9.
23、2 可压缩流体密度场测量可压缩流体密度场测量USTC3 3 纹影仪纹影仪（Schlieren）h h9.2 可压缩流体密度场测量可压缩流体密度场测量USTC3 3 纹影仪纹影仪（Schlieren）纹影仪显示了垂直于刀口方向的密度一阶导数。纹影仪显示了垂直于刀口方向的密度一阶导数。9.2 可压缩流体密度场测量可压缩流体密度场测量USTC3 3 纹影仪纹影仪（Schlieren）3 纹影仪（纹影仪（Schlieren）MUSTC9.2 可压缩流体密度场测量可压缩流体密度场测量箭头表示密度增大方向箭头表示密度增大方向9.3 密度场定量测量密度场定量测量USTCvMach-Zeder干涉仪干涉仪相干
24、条件相干条件（1）频率相同、偏振方向相同、有固定的位相差）频率相同、偏振方向相同、有固定的位相差 的两光波。的两光波。（2）两光波在相遇点振幅相差不大。）两光波在相遇点振幅相差不大。（3）两光波在相遇点光程差不太大。）两光波在相遇点光程差不太大。USTCvMach-Zeder干涉仪干涉仪M1M2M4M3补偿室补偿室试验光束试验光束参考光束参考光束试验段试验段USTC9.3 9.3 密度场定量测量密度场定量测量v干涉仪（干涉仪（Mach-Zender Interferometrer）光程差光程差USTC9.3 9.3 密度场定量测量密度场定量测量v全息干涉仪全息干涉仪(Holographic I
25、ntereferometry)HORH+1C-10记录记录再现再现全息全息USTC9.3 9.3 密度场定量测量密度场定量测量v全息干涉仪全息干涉仪(Holographic Intereferometry)全息全息USTC9.3 9.3 密度场定量测量密度场定量测量全息干涉全息干涉两次曝光两次曝光USTC9.3 9.3 密度场定量测量密度场定量测量全息干涉全息干涉两次曝光两次曝光USTCUSTC9.4 流体温度测量流体温度测量v测温仪器分类：测温仪器分类：USTC温度计温度计原理原理范围范围膨胀式温度计膨胀式温度计液体式液体式受热膨胀受热膨胀-200 500oC固体式固体式压力表式温度计压力表
26、式温度计液体式液体式利用封闭容器中液体、气体或饱和蒸利用封闭容器中液体、气体或饱和蒸汽受热后引起容器内压力变化汽受热后引起容器内压力变化0 300oC气体式气体式蒸汽式蒸汽式电阻温度计电阻温度计利用导体、半导体受热后电阻变化利用导体、半导体受热后电阻变化-200 500oC热电偶温度计热电偶温度计热电效应热电效应0 1600oC辐射式温度计辐射式温度计光学式光学式热辐射性质热辐射性质600 2000oC辐射式辐射式比色式比色式9.4 流体温度测量流体温度测量v热电偶原理：热电偶原理：两种不同导体（半导体）两种不同导体（半导体）A,B组成组成回路，两接点处温度不同，可以产回路，两接点处温度不同，可以产生热电势。生热电势。热电势热电势=温差电势温差电势+接触电势接触电势USTCAtt0+-温差电势温差电势BA+-电子扩散方向电子扩散方向接触电势接触电势ABtt0热电势热电势9.4 流体温度测量流体温度测量v热电偶原理：热电偶原理：USTCt:热端、工作端、测量端；热端、工作端、测量端；t0:冷端、自由端、参考端冷端、自由端、参考端一般保持冷端温度不变（一般保持冷端温度不变（0）:9.4 流体温度测量流体温度测量v总温探头：总温探头：USTC6.4mm1.8mm19mm0.8mm换气孔换气孔