液体在恒熵与恒温条件下压缩系数比值的测量系统和方法

摘要

提出了一种液体在恒熵与恒温条件下压缩系数比值的测量系统和方法，该系统可以包括：储液单元，其能够盛放待测液体以及与待测液体密度相近的浮子，并能够被密封；压强控制单元，控制待测液体的压强；温度控制单元，控制待测液体的温度；图像采集单元，采集所述浮子的运动状态；处理单元，根据浮子在不同运动状态下的待测液体的压强，得到待测液体在恒熵与恒温条件下压缩系数比值，其中，压强控制单元和温度控制单元控制待测液体的压强和温度，使浮子处于所述不同运动状态。

权利要求

1.一种液体在恒熵与恒温条件下压缩系数比值的测量系统，该系统包括：储液单元，其能够盛放待测液体以及与待测液体密度相近的浮子，并能够被密封；

压强控制单元，控制待测液体的压强；

温度控制单元，控制待测液体的温度；

图像采集单元，采集所述浮子的运动状态；

处理单元，根据浮子在不同运动状态下的待测液体的压强，得到待测液体在恒熵与恒温条件下压缩系数比值，其中，压强控制单元和温度控制单元控制待测液体的压强和温度，使浮子处于所述不同运动状态。

2.根据权利要求1所述的液体在恒熵与恒温条件下压缩系数比值的测量系统，该系统还包括：温度测量单元，测量待测液体的实时温度。

3.根据权利要求1所述的液体在恒熵与恒温条件下压缩系数比值的测量系统，其中，在浮子的第一运动状态下，浮子稳定悬浮于待测液体中，待测液体的压强为第一压强P1；

在浮子的第二运动状态下，浮子沉于储液容器的底部，待测液体的压强为第二压强P2；

在浮子的第三运动状态下，浮子具有悬浮趋势，待测液体的压强为第三压强P3。

4.根据权利要求3所述的液体在恒熵与恒温条件下压缩系数比值的测量系统，其中，处理单元根据以下公式得到待测液体在恒熵与恒温条件下压缩系数比值：其中，ωs为恒熵条件下待测液体的压缩系数；ωT为恒温条件下待测液体的压缩系数；α为校准系数。

5.一种利用权利要求1-4之一所述的液体在恒熵与恒温条件下压缩系数比值的测量系统进行测量的方法，该方法的步骤包括：调节待测液体的温度和压强，使浮子稳定悬浮于待测液体中，得到此时待测液体的第一压强P1；

保持待测液体的温度不变，减小待测液体的压强，使浮子下降至储液容器的底部，得到此时待测液体的第二压强P2；

保持待测液体的温度不变，增大待测液体的压强，使浮子在第一时间内的运动距离处于第一距离内，得到此时待测液体的第三压强P3；

根据以下公式得到待测液体在恒熵与恒温条件下的压缩系数比值：其中，ωs为恒熵条件下待测液体的压缩系数；ωT为恒温条件下待测液体的压缩系数；α为校准系数。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，调节待测液体的温度和压强，使浮子稳定悬浮于待测液体中包括：保持待测液体的压强不变，调节待测液体的温度，在一个温度范围内，使浮子处于上升与下降之间摇摆的状态；保持待测液体的温度在所述温度范围内的某个温度值不变，调节待测液体的压强，使浮子稳定悬浮于待测液体中，得到此时待测液体的第一压强P1。

7.根据权利要求5所述的方法，还包括：

保持待测液体的温度不变，重复减小待测液体的压强，使浮子下降至储液容器的底部的操作多次，得到多组待测液体的第二压强P2，从而得到多组待测液体在恒熵与恒温条件下的压缩系数比值，并得到所述压缩系数比值的平均值。

8.根据权利要求6所述的方法，还包括：

在所述温度范围内，在待测液体处于不同温度时，得到多组待测液体在恒熵与恒温条件下的压缩系数比值，并得到所述压缩系数比值的平均值。

说明书

液体在恒熵与恒温条件下压缩系数比值的测量系统和方法

技术领域

[0001] 本公开涉及精密测量领域，具体涉及一种液体在恒熵与恒温条件下压缩系数比值的测量系统和方法。

背景技术

[0002] 液体在低压作用下的压缩量很小,在液压工程设计中通常是忽略不计的。但是在精密测量过程中，即便是液体微小的压缩变化也会对测量结果产生较大影响。液体受到压缩会产生热量，这个过程称为压缩热效应，压缩热效应致使测量环境温度发生变化，从而严重影响液体压缩系数的测量结果。

[0003] 现有的技术都是通过长时间的恒温冷却消除压缩液体产生的热量来达到测量的恒温效果，从而测量液体的恒温压缩系数ωT。但是不同液体的密度、比热与粘度使得产生的热量对测量液体压缩系数的影响不同。因此，找到一种不受液体性质制约的通用的方案来判断其压缩热效应对压缩系数的影响大小显得至关重要。

发明内容

[0004] 本公开介绍了一种液体在恒熵与恒温条件下压缩系数比值的测量系统和方法，其在无需考虑不同液体的密度、比热与粘度等性质不同的情况下，通过得到液体在恒熵与恒温条件下压缩系数比值，判断液体压缩过程中压缩热效应对压缩系数的影响大小。

[0005] 一方面提出了一种液体在恒熵与恒温条件下压缩系数比值的测量系统，该系统包括：储液单元，能够盛放待测液体以及与待测液体密度相近的浮子，并能够被密封；压强控制单元，控制待测液体的压强；温度控制单元，控制待测液体的温度；图像采集单元，采集所述浮子的运动状态；处理单元，根据浮子在不同运动状态下的待测液体的压强，得到待测液体在恒熵与恒温条件下压缩系数比值，其中，压强控制单元和温度控制单元控制待测液体的压强和温度，使浮子处于所述不同运动状态。

[0006] 另一方面提出了一种利用液体在恒熵与恒温条件下压缩系数比值的测量系统进行测量的方法，该方法的步骤包括：调节待测液体的温度和压强，使浮子稳定悬浮于待测液体中，得到此时待测液体的第一压强P1；保持待测液体的温度不变，减小待测液体的压强，使浮子下降至储液容器的底部，得到此时待测液体的第二压强P2；保持待测液体的温度不变，增大待测液体的压强，使浮子在第一时间内的运动距离处于第一距离内，得到此时待测液体的第三压强P3；根据公式 得到待测液体在恒熵与恒温条件下的压缩系数比值，其中，ωs为恒熵条件下待测液体的压缩系数；ωT为恒温条件下待测液体的压缩系数；α为校准系数。

[0007] 本公开在无需考虑不同液体的密度、比热与粘度等性质不同的情况下，通过得到液体在恒熵与恒温条件下压缩系比值，判断液体压缩过程中压缩热效应对压缩系数的影响大小。

附图说明

[0008] 通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施例方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

[0009] 图1示出了根据本公开的一个实施例的液体在恒熵与恒温条件下压缩系数比值的测量系统的示意性结构图。

[0010] 图2示出了浮子的第一运动状态下的示意图。

[0011] 图3示出了浮子的第二运动状态下的示意图。

[0012] 图4示出了浮子的第三运动状态下的示意图。

[0013] 图5示出了根据本公开的一个实施例的利用液体在恒熵与恒温条件下压缩系数比值的测量系统进行测量的方法的流程图。

[0014] 图6示出了根据本公开的一个应用示例的利用液体在恒熵与恒温条件下压缩系数比值的测量系统进行测量的方法的流程图。

具体实施方式

[0015] 下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施例。虽然附图中显示了本公开的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

[0016] 第一实施例

[0017] 参见图1，其示出了根据本公开的一个实施例的液体在恒熵与恒温条件下压缩系数比值的测量系统的示意性结构图，在该实施例中，该系统可以包括：

[0018] 储液单元101，其能够盛放待测液体以及与待测液体密度相近的浮子，并能够被密封；

[0019] 压强控制单元102，控制待测液体的压强；

[0020] 温度控制单元103，控制待测液体的温度；

[0021] 图像采集单元104，采集所述浮子的运动状态；

[0022] 处理单元105，根据浮子在不同运动状态下的待测液体的压强，得到待测液体在恒熵与恒温条件下压缩系数比值；

[0023] 其中，压强控制单元和温度控制单元控制待测液体的压强和温度，使浮子处于所述不同运动状态。

[0024] 本实施例在无需考虑不同液体的密度、比热与粘度等性质不同的情况下，通过利用液体在恒熵与恒温条件下压缩系数比值的测量系统，判断液体压缩过程中压缩热效应对压缩系数的影响大小。

[0025] 本领域技术人员应理解，图1中所示出的部件数量和位置关系等细节仅仅是示例性的，而并非意在限制本发明。

[0026] 储液单元

[0027] 在一个实施例中，储液单元可以与温度控制单元和压强控制单元相连接。储液单元可以包括：待测液体、浮子和储液容器。待测液体和浮子可共同置于储液容器中，储液容器能够被密封，通过密封实现对待测液体的压强和温度的改变，同时阻止待测液体与外界之间的热传递。由于浮子的密度与待测液体的密度相近，待测液体的密度有微小的变化，都可以通过浮子的运动状态反映出来。因此通过浮子的运动状态变化可以判断待测液体的密度变化。

[0028] 本领域技术人员应理解，图1中的储液单元仅仅是一个示例，本实施例可使用已知的其他结构的储液单元。

[0029] 压强控制单元

[0030] 在一个实施例中，压强控制单元，可与储液单元和处理单元相连接，可以控制待测液体的压强。待测液体的密度随其压强的增加而变大，反之变小，通过改变待测液体的压强可以改变其密度。压强控制单元可以是PID静压力控制系统，所述PID静压力控制系统的测量分辨率可为0.1Pa。

[0031] 本领域技术人员应理解，图1中的压强控制单元仅仅是一个示例，本实施例可使用已知的其他结构的压强控制单元。

[0032] 温度控制单元

[0033] 在一个实施例中，温度控制单元，可与储液单元和处理单元相连接，可以控制待测液体的温度，待测液体的密度随其温度的上升而变小，反之变大，通过改变待测液体的温度可以改变其密度。温度控制单元可以是PID水浴温度控制系统，盛放有待测液体以及浮子的储液容器置于PID水浴温度控制系统内，所述PID水浴温度控制系统的测量分辨率可为1mK。

[0034] 本领域技术人员应理解，图1中的温度控制单元仅仅是一个示例，本实施例可使用已知的其他结构的温度控制单元。

[0035] 图像采集单元

[0036] 在一个实施例中，图像采集单元，可以与处理单元相连接，采集浮子的运动状态，通过观察浮子的运动状态得到待测液体的压强。图像采集单元可以是CCD图像采集系统，所述CCD图像采集系统的分辨率可为0.01mm。

[0037] 本领域技术人员应理解，图1中的图像采集单元仅仅是一个示例，本实施例可使用已知的其他结构的图像采集单元。

[0038] 处理单元

[0039] 在一个实施例中，处理单元，可以实时采集待测液体的压强、温度以及浮子运动状态等信息，再根据浮子在不同运动状态下的待测液体的压强，得到待测液体在恒熵与恒温条件下压缩系数比值，从而判断待测液体压缩过程中压缩热效应对压缩系数的影响大小。其中，如图2所示，在浮子的第一运动状态下，浮子稳定悬浮于待测液体中，得到待测液体的第一压强P1；如图3所示，在浮子的第二运动状态下，浮子沉于储液容器的底部，得到待测液体的第二压强P2；如图4所示，在浮子的第三运动状态下，得到待测液体的第三压强P3。基于浮子在三种运动状态下的压强以及公式 得到待测液体恒熵与恒温条件下
的压缩系数比值，其中ωs为恒熵条件下待测液体的压缩系数；ωT为恒温条件下待测液体的压缩系数；α为校准系数。处理单元可以是中央处理器。

[0040] 本领域技术人员应理解，图1中的处理单元仅仅是一个示例，本实施例可使用已知的其他处理单元。

[0041] 温度测量单元

[0042] 在一个实施例中，液体在恒熵与恒温条件下压缩系统还可以包括：温度测量系统，与储液单元和处理单元相连接，测量待测液体的实时温度。温度测量单元可以是高精度电桥温度计，其测量分辨率为0.01mK。

[0043] 本领域技术人员应理解，图1中的温度测量单元仅仅是一个示例，本实施例可使用已知的其他温度测量单元。

[0044] 第二实施例

[0045] 图5示出了根据本公开的另一个实施例的一种利用液体在恒熵与恒温条件下压缩系数比值的测量系统进行测量的方法的流程图，该方法可以包括：

[0046] 步骤501，调节待测液体的温度和压强，使浮子稳定悬浮于待测液体中，得到此时待测液体的第一压强P1。

[0047] 步骤502，保持待测液体的温度不变，减小待测液体的压强，使浮子下降至储液容器的底部，得到此时待测液体的第二压强P2。

[0048] 步骤503，保持待测液体的温度不变，增大待测液体的压强，使浮子在第一时间内的运动距离处于第一距离内，得到此时待测液体的第三压强P3；

[0049] 步骤504，根据公式 得到待测液体在恒熵与恒温条件下的压缩系数比值。其中，ωs为恒熵条件下待测液体的压缩系数；ωT为恒温条件下待测液体的压缩系数；α为校准系数。

[0050] 本实施例在无需考虑不同液体的密度、比热与粘度等性质不同的情况下，通过利用液体在恒熵与恒温条件下压缩系数比值的测量系统进行测量的方法，判断液体压缩过程中压缩热效应对压缩系数的影响大小。

[0051] 在一个示例中，该方法还可以包括：保持待测液体的压强不变，调节待测液体的温度，在一个温度范围内，使浮子处于上升与下降之间摇摆的状态；保持待测液体的温度在所述温度范围内的某个温度值不变，调节待测液体的压强，使浮子稳定悬浮于待测液体中，得到此时待测液体的第一压强P1。

[0052] 在一个示例中，该方法还可以包括：保持待测液体的温度不变，重复减小待测液体的压强，使浮子下降至储液容器的底部的操作多次，得到多组待测液体的第二压强P2，从而得到多组待测液体在恒熵与恒温条件下的压缩系数比值，并得到所述压缩系数比值的平均值。

[0053] 在一个示例中，该方法还可以包括：在所述温度范围内，在待测液体处于不同温度时，得到多组待测液体在恒熵与恒温条件下的压缩系数比值，并得到所述压缩系数比值的平均值。

[0054] 应用示例

[0055] 图6示出了根据本公开的一个应用示例的利用液体在恒熵与恒温条件下压缩系数比值的测量系统进行测量的方法的流程图，以便于更好的理解本公开。本领域技术人员应理解，以下示例的目的仅为了示例性地说明本公开实施例的有益效果，并不意在将本公开实施例限制于所给出的任何示例。

[0056] 在该应用示例中，可按照如下方式应用本公开各实施例中的系统或方法。

[0057] (1)调节系统使浮子处于第一运动状态下，得到待测液体的第一压强P1[0058] 该操作可以包括：将待测液体和浮子共同置于能够密封的储液容器中，将储液单元置于由PID水浴温度控制系统控制的恒温水浴中，通过调节PID水浴温度控制系统和PID静压力控制系统改变待测液体的温度和压强，从而改变待测液体的密度。由于浮子的密度与待测液体的密度相近，所以待测液体的密度有微小的变化都会导致浮子的悬浮状态发生改变。通过调节待测液体的温度和压强，使浮子稳定悬浮于待测液体中，得到此时待测液体的压强为初始压强P0,保持待测液体的压强不变，调节PID水浴温度控制系统以改变待测液体的温度，得到一个温度范围，在所述温度范围内，使浮子处于上升与下降之间摇摆的状态，所述温度范围优选可为6mK-8mK。保持待测液体的温度在所述温度范围内的某个温度值不变，调节PID静压力控制系统以改变待测液体的压强，使浮子可以稳定悬浮于待测液体中，得到此时待测液体的压强为第一压强P1。在调节待测液体的温度的过程中，PID水浴温度控制系统可以以每1mK为单位对水浴温度进行改变。在调节待测液体的压强的过程中，PID静压力控制系统可以以每100Pa为单位对待测液体的压强进行改变。通过CCD图像采集单元观察浮子的稳定状态时，保持水浴温度的波动范围在±0.1mK以内，压强的波动范围在±5Pa以内，确保浮子上下波动范围在0.05mm以内。调节PID静压力控制系统的过程中，第一压强与初始压强的压强差值P1-P0控制在40KPa-80KPa之间。

[0059] (2)调节系统使浮子处于第二运动状态下，得到待测液体的第二压强P2[0060] 在浮子处于第一运动状态的基础上，系统稳定一段时间后，优选为2h-6h，保持待测液体的温度不变，调节PID静压力控制系统以减小待测液体的压强，使浮子沉于储液容器的底部，得到此时待测液体的压强为第二压强P2。在系统稳定的过程中，确保PID水浴温度控制系统的温度波动范围控制在±0.1mK，减小待测液体的压强过程中，压强减小应适量，优选的减小范围是10KPa-20KPa之间。

[0061] (3)调节系统使浮子处于第三运动状态下，得到待测液体的第三压强P3[0062] 在浮子处于第二运动状态的基础上，系统稳定一段时间后，优选为2h-6h，保持待测液体的温度不变，调节PID静压力控制系统以增大待测液体的压强，使浮子具有悬浮趋势，即在第一时间内的运动距离处于第一距离内，得到此时待测液体的压强为第三压强P3。其中，第一时间优选为5s-10s，第一距离优选为0.5mm-2mm。在系统稳定的过程中，确保PID水浴温度控制系统的温度波动范围控制在±0.1mK。如果浮子在第一时间内的运动距离大于第一距离，说明增加的压强过大；如果浮子在第一时间内的运动距离小于第一距离，说明增加的压强过小。如果浮子在第一时间内的运动距离不处于第一距离，则需要在浮子处于第二运动状态的基础上，反复测试使浮子在第一时间内的运动距离处于第一距离内，从而得到待测液体的第三压强P3。

[0063] (4)得到待测液体在恒熵与恒温条件下的压缩系数比值

[0064] 非恒熵条件下，变化前后液体密度之间的比值关系为：

[0065]

[0066] 恒熵条件下，变化前后液体密度之间的比值关系为：

[0067]

[0068] 其中，ωT为液体的恒温压缩系数；ωS为液体的恒熵压缩系数；μ为液体热膨胀系数；T0为液体的初始温度；P0为液体的初始压强；ρ(T0,P0)为液体的初始密度，即温度为T0压强为P0时待测液体的密度；ρ(T,P)为液体的温度为T压强为P时的密度。

[0069] 浮子从第一运动状态至第二运动状态的过程，可以视为待测液体处于非恒熵条件下，由于待测液体的温度保持不变，这一过程可以视为待测液体在恒温条件下的其密度的变化过程，即

[0070]

[0071] 其中，T1为浮子处于第一运动状态下待测液体的温度；P1为浮子处于第一运动状态下待测液体的压强；T2为浮子处于第二运动状态下待测液体的温度；P2为浮子处于第二运动状态下待测液体的压强；ρ(T1,P1)为浮子处于第一运动状态下待测液体的密度；ρ(T2,P2)为浮子处于第二运动状态下待测液体的密度。

[0072] 浮子从第二运动状态至第三运动状态的过程，在很短的时间内判断浮子是否具有悬浮趋势，可以视该过程为待测液体在恒熵条件下的其密度的变化过程，即[0073]

[0074] 其中，T3为浮子处于第三运动状态下待测液体的温度；P3为浮子处于第三运动状态下待测液体的压强；ρ(T3,P3)为浮子处于第三运动状态下待测液体的密度。

[0075] 浮子从第一运动状态至第二运动状态，温度保持不变，即T1＝T2。浮子从第二运动状态至第三运动状态，由于观察时间很短，可以视该过程温度保持不变，即T2＝T3。浮子在第一运动状态和第三运动状态下，均处于悬浮状态，可以视为浮子处于第一运动状态下待测液体的密度与浮子处于第三运动状态下待测液体的密度相同，即ρ(T1,P1)＝ρ(T3,P3)。

[0076] 利用公式(3)和公式(4)，得到待测液体在恒熵与恒温条件下的压缩系数比值为[0077]

[0078] 由于浮子从第二运动状态至第三运动状态的过程中，有微量的热传递，并不完全符合恒熵条件，需要对最后的结果加以校准。经过实际测量值与理论计算值的对比校准，得到待测液体在恒熵与恒温条件下的压缩系数比值为

[0079]

[0080] 其中，α为校准系数，优选的α＝1.051。

[0081] 液体在恒熵与恒温条件下的压缩系数比值越大，说明压缩热效应对压缩系数的影响越小；反之，液体在恒熵与恒温条件下的压缩系数比值越小，说明压缩热效应对压缩系数的影响越大。

[0082] 进一步地，可在浮子处于第一运动状态的基础上，保持待测液体的温度不变，重复减小待测液体的压强，使浮子下降至储液容器的底部的操作多次，得到多组待测液体的第二压强P2，从而得到多组待测液体在恒熵与恒温条件下的压缩系数比值，并得到所述压缩系数比值的平均值。

[0083] 进一步地，可在浮子处于上升与下降之间摇摆的状态的温度范围内，设定不同的温度值进行测试，得到多组待测液体在恒熵与恒温条件下的压缩系数比值，并得到所述压缩系数比值的平均值。

[0084] 上述技术方案只是本发明的一种实施例，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施例所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。