《流体密度、温度测量-力学基础实验课件-中国科技大学-09》由会员分享，可在线阅读，更多相关《流体密度、温度测量-力学基础实验课件-中国科技大学-09（138页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第9章 流体密度、温度测量,9.1 不可压缩流体密度测量 9.2 可压缩流体密度场测量 9.3 密度场定量测量 9.4 流体温度测量,一、 测固体密度 1 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 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
2、称出烧杯和剩下水的质量m3。 计算表达式：=水(m2-m3) / (m1-m3) 3 阿基米德定律法： 器材：弹簧秤、金属块、水、细绳 步骤：（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*),4 浮力法(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 浮力法（二）： 器材：刻度尺、圆筒杯、
3、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）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 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。,一、 测液体密度 1 称量法： 器材：烧杯、量筒 、天平、待测液体 步骤：
4、（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，测出体积V。 计算表达：=(m2-m1) / V 2 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),3 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
5、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 U形管法： 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) 5 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。,PY-05十支组石油标准密度计,9.2 可压缩流体密度场测量,间接测量（气体，低速不可压流动也可近似采用）,1 密度和折射率关系 2 光线通过折射
6、率场时发生弯曲 3 阴影仪 4 纹影仪,1 密度和折射率关系 光线透过不均匀的折射率场时，一般会发生以下两种类型的变化： (1)光线传播偏离原来的方向； (2)扰动光线相对未扰动光线发生位相差。,1 密度和折射率关系 Glasdtone-Dale公式 适用于中低温气体。 对混合气体,2 光线通过折射率场时发生弯曲,光线,密度梯度,光束ra的光速为C，光束rb的光速为C+dC。 dt 时间内光束ra走了dS 距离，光束rb比光束ra 多走了(dS) 距离。,2 光线通过折射率场时发生弯曲 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。 光线弯曲的曲率1/R正比于沿光线传播路径法线方
7、向的密度变化 d /dR。,3 阴影仪（Shadowngraphy）,3 阴影仪（Shadowngraphy）,亮度关系,阴影仪显示了密度的二阶导数。,射流阴影图,3 纹影仪（Schlieren）,3 纹影仪（Schlieren）,纹影仪显示了垂直于刀口方向的密度一阶导数。,3 纹影仪（Schlieren）,氦气泡,蜡烛火焰,微型超声速风洞(喉道2mm),9.3 密度场定量测量,Mach-Zeder干涉仪 相干条件 （1）频率相同、有固定的位相差的两光波。 （2）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。,Mach-Zeder干涉仪,干涉仪（ Mach-Zender In
8、terferometrer ）,全息干涉仪(Holographic Intereferometry),阴影,全息干涉,蜡烛火焰,彩色纹影,干涉仪照片,9.4 流体温度测量,测温仪器分类：,宏观概念-是物体冷热程度的表示. 热平衡的两物体，其温度相等。 微观概念-是大量分子运动平均强度的表示。 分子运动愈激烈其温度表现越高。,温度量的特殊性: 1. 二温度不能相加或相减； 2. 无标准量直接进行比较测量； 3. 温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量。,一、温度的基本概念,1）经验温标 以物体热胀冷缩现象为基础。 认为选定的测温物质体积的变化与温度成线性关系。 把在两温度点之间体积的总变
9、化分为若干等分，每个等分定义为1度。 按这个原则建立的有摄氏温标、华氏温标 。,用来量度物体温度数值的标尺叫温标。 它规定了温度的读数起点（零点）和测量温度的基本单位。 目前国际上用的较多的温标有经验温标(华氏温标、摄氏温标等)、热力学温标。,二、 温标,摄氏温标：标准仪器是水银玻璃温度计。规定在标准大气压下，水的冰点为0度，沸点为100度，水银体积膨胀被分为100等份，对应每份的温度定义为1摄氏度，单位为“C”； 华氏温标：标准仪器是水银温度计，按照华氏温标，水的冰点为32F，沸点是212F。分成180等份，对应每份的温度为1华氏度，单位为“F”。摄氏温度和华氏温度的关系为：,热力学温标又称
10、开尔文温标，或称绝对温标。 分子运动停止时的温度为绝对零度； 热力学温标（符号为T）它的单位为开尔文（符号为K），定义为水三相点的热力学温度的1/273.16。 相当摄氏温标0，华氏温标32的开氏温标为273.15K。,2）.热力学温标,三、温度的测量,非接触式测温 感温元件不与被测对象相接触，而通过热辐射进行热交换； 具有较高的测温上限； 热惯性小，可达千分之一秒，故便于测量运动物体的温度和快速变化的温度。,接触式测温 测温元件直接与被测对象相接触，两者之间进行充分的热交换达到热平衡，这时感温元件的某一物理参数的量值就代表了被测对象的温度值。 优点：直观可靠。 缺点: 感温元件影响被测温度场
11、的分布； 接触不良等带来测量误差； 高温和腐蚀性介质影响感温元件的性能和寿命。,1、 液体膨胀式温度计 由液体储存器、毛细管和标尺组成。 测温上限取决于所用液体汽化点的温度，下限受液体凝点温度的限制。 为防止毛细管中液柱出现断续现象，并提高测温液体的沸点，常在毛细管中液体上部充以一定压力的气体。,水银30750 甲苯90100 乙醇10075 石油醚13025 戊烷20020,优点：直观、测量准确、结构简单 、价廉； 缺点：不能自动记录、有迟延、易碎。,水银凝固点： -38.862，沸点：356.9 优点：水银温度计不粘玻璃，不易氧化，容易获得较高精度，在相当大的范围内（38356）保持液态，
12、在200以下，其膨胀系数几乎和温度呈线性关系，所以可作为精密的标准温度计。 缺点：温度在 -38.862 以下不能使用、膨胀系数小 测低温可采用含铊 4% 汞和金，可在 -62以上的温度下使用，如果采用石英玻璃，并充以80105Pa的氮气，则可将测量上限温度提升至800。 酒精的凝固点-177.5，沸点：+78.5 优点：可用于低温；膨胀系数大 缺点：导热系数小，球内温度分布不均匀；饱和蒸汽压高，温度降低时会有液体小滴凝结在毛细管上部中空部分。,2、固体膨胀式温度计 利用两种材料的膨胀系数不同的原理制成，分为杆式和双金属式两大类。 范围：-30600oC； 精度：0.5-1.0级,杆式温度计的
13、原理 芯杆材料的膨胀系数比与基座相连的外套大，当温度变化时芯杆对基座产生相对位移，经简单的机械放大后，就可直接指示温度值。,双金属片温度计 双金属片温度计是由膨胀系数不同的两种金属片牢固结合在一起而制成，一端固定，另一端为自由端。 当温度变化时，由于两种材料的膨胀系数不同而使双金属片的曲率发生变化，自由端产生位移，经传动放大机构带动指针指示温度值。 为了满足不同用途的要求，双金属元件制成各种不同的形状。,3、压力式温度计,根据封闭系统的液体或气体受热后压力变化的原理而制成的测温仪表。,1-温包； 2-毛细导管； 3-压力计,由敏感元件温包，传压毛细管和弹簧管压力表组成。 若给系统充以气体，如氮
14、气，称为充气式压力式温度计，测温上限可达500，压力与温度的关系接近于线性，但是温包体积大，热惯性大。 若充以液体，如二甲苯、甲醇等，温包小些，测温范围分别为40200和40170， 若充以低沸点的液体，其饱和汽压应随被测温度而变，如丙酮，用于50200。但由于饱和汽压和饱和汽温呈非线性关系，故温度计刻度是不均匀的。,特点:必须将温包全部浸入被测介质；毛细管最长不超过60 m；仪表精度低，但使用简便，而且抗震动。,4、热电偶温度计,热电偶是当前热电测温中普遍使用的一种感温元件，它的工作原理是基于热电效应。 （a）热电效应及基本定律 两种不同材料的金属丝两端牢靠地接触在一起，组成闭合回路，当两个
15、接触点（称为结点）温度t和t0不同时，回路中即产生电势，并有电流流通，这种把热能转换成电能的现象称为热电效应。,称回路电势为热电势。两金属丝称为偶极或热电极。两个结点中与被测介质接触的一个称为测量端或工作端、热端，另一个称为参考端或自由端、冷端。,热电势的组成,两根异质材料的接触电势 导线两端的温差电势,当两种不同性质的导体或半导体材料相互接触时，由于内部电子密度不同，例如材料A的电子密度大于材料B，则会有一部分电子从A扩散到B，使得A失去电子而呈正电位，B获得电子而呈负电位，最终形成由A向B的静电场。静电场的作用又阻止电子进一步地由A向B扩散。当扩散力和电场力达到平衡时，材料A和B之间就建立
16、起一个固定的电动势。,因材料两端温度不同，则两端电子所具有的能量不同，温度较高的一端电子具有较高的能量，其电子将向温度较低的一端运动，于是在材料两端之间形成一个由高温端向低温端的静电场，这个电场将吸引电子从温度低的一端移向温度高的一端，最后达到动态平衡。 温差电势的方向是由低温端指向高温端，其大小与材料两端温度和材料性质有关。,（1）均质导体定律 由均质材料构成的热电偶，热电动势的大小只与材料及结点温度有关。与热电偶的尺寸大小、形状及沿电极温度分布无关。如材料不均匀，由于温度梯度的存在，将会有附加电动势产生。,热电偶基本定律,利用导体和半导体的电阻随温度变化这一性质做成的温度计称为电阻温度计。 大多数金属在温度升高1C 时电阻将增加0.40.6。 半导体
