CN105784054A - 一种适于标定不规则形状气腔容积的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于反应堆工程技术领域，公开了一种适于标定不规则形状气腔容积的系统及方法。该系统包括真空泵、标定气源、压力测量传感器、待标定容器、参考室容器、标准填块，其中标定气源为惰性气体；该方法是通过记录待标定容器和参考室容器的氦气压力和温度，建立以待标定容器容积和参考室容器容积为未知数的二元一次方程，再通过添加不同体积的标准填块至参考室容器内，建立多个二元一次方程组，解这些方程组即可获得待标定容器气腔容积的大小。该方法和系统标定过程简单且能够对形状不规则、不能填充液体的容器的气腔容积进行标定。

Description

一种适于标定不规则形状气腔容积的系统及方法
技术领域
本发明属于反应堆工程技术领域，具体涉及一种适于标定不规则形状气腔容积的系统及方法。
背景技术
在科研工作尤其是氚处理设施中，会经常遇到一些特殊情况下容器容积从数cm3至数dm3不等的高精度测量问题，测量不确定度通常要求低于2％。现有的测量方法有：称重法、气体膨胀法、几何计算法。各种方法测量过程如下；
(1)称重法：首先称量空容器重量，然后注入已知密度的水或酒精，再次称量，根据前后两次质量差与液体密度，即可计算得到容器容积大小；
(2)气体膨胀法：将气体由已知容积的容器膨胀至待测量容器，根据理想气体状态方程，即可计算得到待测量容器容积；
(3)几何计算法：根据待测量容器的边界尺寸，通过几何计算的方法，获得待测量容器容积大小。
这些方法虽然简单，但都有一定的局限性，在真空系统中的一些不规则形状的容器，在低温系统中内部结构比较复杂的容器或存在变温的系统，一些不能填充液体的容器，常用测量方法应用在这些场合时往往存在诸多不便或方法本身无法应用等问题，如称重法，不仅由于称重带来误差，而且注入液体污染容器内表面；气体膨胀法，由已知容器容积的误差带来的测量结果不准确，或容器内部死体积导致的测量结果误差；几何计算法，对不规则形状的容器误差非常大。
发明内容
(一)发明目的
根据现有技术所存在的问题，本发明提供了一种测定方法简单且能够对形状不规则、不能填充液体的容器的气腔容积进行标定的系统及方法。
(二)技术方案
为了解决现有技术所存在的问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种适于标定不规则形状气腔容积的系统，该系统包括真空泵、标定气源、压力测量传感器、待标定容器、参考室容器、标准填块，其中标定气源为惰性气体；待标定容器的容积记为V，其包括第一容器、第一容器与阀门F2之间管路(本领域中，第一容器、阀门F2及之间管路通常是一体化结构)；参考室容器的容积记为VR，其包括第二容器、第二容器与阀门F1、阀门F2、阀门F3以及压力测量传感器之间管路；标准填块为已知体积的填块，其位于第二容器内；真空泵通过阀门F1所在管路与系统连接；标定气源通过阀门F3、阀门F2所在管路与第一容器连接；标定气源通过阀门F3所在管路与第二容器连接，通过阀门F3、阀门F1所在管路与真空泵连接；压力测量传感器设置在第二容器所在管路上。
优选地，所述标准填块为表面抛光的不锈钢圆柱体填块。
优选地，所述惰性气体为氦气。
优选地，标准填块体积为待标定容器容积的1/10至10倍。
利用该系统对不规则形状气腔容积进行标定的方法，该方法根据待标定容器容积与参考室容器容积的大小关系，分为方法(a)和方法(b)，步骤如下：
(a)当待标定容器的容积估值大于参考室容积时，该标定方法的步骤为：
(a-1)将体积为Vi的标准填块放置入第二容器内；对系统抽真空后，关闭所有阀门；
(a-2)缓慢打开阀门F3，使气体进入参考室容器内，压力测量传感器测量的压力为PiR；
(a-3)打开阀门F2，使气体膨胀至待标定容器内，气体在系统内达到平衡，压力测量传感器测量的压力为Pi；
(a-4)改变压力PiR，重复步骤(a-1)、(a-2)、(a-3)，获得至少5组以上数据；
根据气体状态方程及物质守恒原则，建立二元一次方程：
PiR*(VR-Vi)+PiV*V＝Pi*(VR-Vi+V)(1)
(a-5)将体积为Vj的标准填块放置入第二容器内，测量步骤同(a-1)、(a-2)、(a-3)、(a-4)，建立二元一次方程：
PjR*(VR-Vj)+PjV*V＝Pj*(VR-Vj+V)(2)
根据基于标准填块体积Vi、Vj建立的二元一次方程(1)和(2)，联合求解，获得待标定容器V；
(b)当待标定容器的容积估值小于参考室容积时，该标定方法的步骤为：
(b-1)将体积为Vi的标准填块放置入第二容器内；将对系统抽真空后，关闭除F2外所有阀门；
(b-2)缓慢打开阀门F3，使气体进入待标定容器内，压力测量传感器测量的压力为PiV，关闭阀门F2；
(b-3)打开阀门F1，对参考室容器VR抽真空后，关闭阀门F1；
(b-4)打开阀门F2，使气体膨胀至参考室容器内并在系统中达到平衡，压力为Pi；
(b-5)改变压力PiV，重复步骤(b-1)、(b-2)、(b-3)、(b-4)，获得至少5组以上数据；
根据气体状态方程及物质守恒原则，建立二元一次方程：
PiR*(VR-Vi)+PiV*V＝Pi*(VR-Vi+V)(3)
(b-6)将体积为Vj的标准填块放置在第二容器内，测量步骤同(b-1)、(b-2)、(b-3)、(b-4)、(b-5)，建立二元一次方程：
PjR*(VR-Vj)+PjV*V＝Pj*(VR-Vj+V)(4)
根据基于标准填块体积Vi、Vj建立的二元一次方程(3)和(4)，联合求解，获得待标定容器V。
优选地，所述方法(a)和方法(b)中的气体为氦气。
优选地，标准填块的体积Vi或Vj可为零。
优选地，对气腔容积标定过程中系统的温度保持恒定，温度波动为±1℃。
(三)有益效果
本申请提供的气腔容积的测量方法，利用该方法对气腔容积进行测定，克服了容器形状不规则，内部结构复杂等困难，实现了对各种形状和结构的容器容积进行测定，且不确定度优于0.5％。申请中使用的气体为惰性气体优选为氦气，其目的是最大程度地避免容器、阀门或管路对气体的吸附。同时，本申请中按照待标定容器容积与参考室容器容积的大小关系，将标定方法分为(a)方法和(b)方法，使标定气体从小体积向大体积膨胀，尽量降低压力测量传感器的误差，确保气腔容积测量的准确性。
附图说明
图1是标定不规则形状气腔容积的系统的示意图；其中1是真空泵；2是第一容器；3是压力测量传感器；4是第二容器；5是标定气源；6是标准填块。
具体实施方式
下面将结合具体实施方式和说明书附图对本申请作进一步阐述。
实施例1
一种适于标定不规则形状气腔容积的系统，该系统包括真空泵1、标定气源5、压力测量传感器3、待标定容器、参考室容器、标准填块6，其中标定气源5为惰性气体；待标定容器的容积记为V，其包括第一容器2、第一容器2与阀门F2之间管路；参考室容器的容积记为VR，其包括第二容器4、第二容器4与阀门F1、阀门F2、阀门F3以及压力测量传感器3之间管路；标准填块6为已知体积的填块，其位于第二容器4内；真空泵1通过阀门F1所在管路与系统连接；标定气源5通过阀门F3、阀门F2所在管路与第一容器2连接；标定气源5通过阀门F3所在管路与第二容器4连接，通过阀门F3、阀门F1所在管路与真空泵1连接；压力测量传感器3设置在第二容器4所在管路上。
所述标准填块为表面抛光的不锈钢圆柱体填块。所述惰性气体为氦气。
利用该系统对不规则形状气腔容积进行标定的方法，该方法根据待标定容器容积与参考室容器容积的大小关系，分为方法(a)和方法(b)，步骤如下：
(a)当待标定容器的容积估值大于参考室容积时，该标定方法的步骤为：
(a-1)将体积为Vi的标准填块放置入第二容器内；对系统抽真空后，关闭所有阀门；
(a-2)缓慢打开阀门F3，使气体进入参考室容器内，压力测量传感器测量的压力为PiR；
(a-3)打开阀门F2，使气体膨胀至待标定容器内，气体在系统内达到平衡，压力测量传感器测量的压力为Pi；
(a-4)改变压力PiR，重复步骤(a-1)、(a-2)、(a-3)，获得至少5组以上数据；
根据气体状态方程及物质守恒原则，建立二元一次方程：
PiR*(VR-Vi)+PiV*V＝Pi*(VR-Vi+V)(1)
(a-5)将体积为Vj的标准填块放置入第二容器内，测量步骤同(a-1)、(a-2)、(a-3)、(a-4)，建立二元一次方程：
PjR*(VR-Vj)+PjV*V＝Pj*(VR-Vj+V)(2)
根据基于标准填块体积Vi、Vj建立的二元一次方程(1)和(2)，联合求解，获得待标定容器V；
(b)当待标定容器的容积估值小于参考室容积时，该标定方法的步骤为：
(b-1)将体积为Vi的标准填块放置入第二容器内；将对系统抽真空后，关闭除F2外所有阀门；
(b-2)缓慢打开阀门F3，使气体进入待标定容器内，压力测量传感器测量的压力为PiV，关闭阀门F2；
(b-3)打开阀门F1，对参考室容器VR抽真空后，关闭阀门F1；
(b-4)打开阀门F2，使气体膨胀至参考室容器内并在系统中达到平衡，压力传感器测量的压力为Pi；
(b-5)改变压力PiV，重复步骤(b-1)、(b-2)、(b-3)、(b-4)，获得至少5组以上数据；
根据气体状态方程及物质守恒原则，建立二元一次方程：
PiR*(VR-Vi)+PiV*V＝Pi*(VR-Vi+V)(3)
(b-6)将体积为Vj的标准填块放置在第二容器内，测量步骤同(b-1)、(b-2)、(b-3)、(b-4)、(b-5)，建立二元一次方程：
PjR*(VR-Vj)+PjV*V＝Pj*(VR-Vj+V)(4)
根据基于标准填块体积Vi、Vj建立的二元一次方程(3)和(4)，联合求解，获得待标定容器V。
所述方法(a)和方法(b)中的气体为氦气。标定方法在室温下进行，温度波动为±1℃。
利用该系统和方法对容积约为1200cm3的待标定容器罐进行标定，标定后的容积为1222.05cm3，不确定度为0.21％。采用的标准填块体积为130.298cm3，压力测量传感器为100TorrMKS压力传感器。
实施例2
与实施例1不同的是，待标定容器的容积约为2cm3，标准填块的体积为6.647cm3。利用本申请提供的系统和方法对该容器进行标定，得到其气腔容积为1.28cm3，不确定度为0.52％。

Claims (8)

1.一种适于标定不规则形状气腔容积的系统，其特征在于，该系统包括真空泵、标定气源、压力测量传感器、待标定容器、参考室容器、标准填块，其中标定气源为惰性气体；待标定容器的容积记为V，其包括第一容器、第一容器与阀门F2之间管路；参考室容器的容积记为VR，其包括第二容器、第二容器与阀门F1、阀门F2、阀门F3以及压力测量传感器之间管路；标准填块为已知体积的填块，其位于第二容器内；真空泵通过阀门F1所在管路与系统连接；标定气源通过阀门F3、阀门F2所在管路与第一容器连接；标定气源通过阀门F3所在管路与第二容器连接，通过阀门F3、阀门F1所在管路与真空泵连接；压力测量传感器设置在第二容器所在管路上。
2.根据权利要求1所述的一种适于标定不规则形状气腔容积的系统，其特征在于，所述标准填块为表面抛光的不锈钢圆柱体填块。
3.根据权利要求1所述的一种适于标定不规则形状气腔容积的系统，其特征在于，所述惰性气体为氦气。
4.根据权利要求1所述的一种适于标定不规则形状气腔容积的系统，其特征在于，标准填块体积为待标定容器容积的1/10至10倍。
5.利用权利要求1所述系统对不规则形状气腔容积进行标定的方法，该方法根据待标定容器容积与参考室容器容积的大小关系，分为方法(a)和方法(b)，步骤如下：
(a)当待标定容器的容积估值大于参考室容积时，该标定方法的步骤为：
(a-1)将体积为Vi的标准填块放置入第二容器内；对系统抽真空后，关闭所有阀门；
(a-2)缓慢打开阀门F3，使气体进入参考室容器内，压力测量传感器测量的压力为PiR；
(a-3)打开阀门F2，使气体膨胀至待标定容器内，气体在系统内达到平衡，压力测量传感器测量的压力为Pi；
(a-4)改变压力PiR，重复步骤(a-1)、(a-2)、(a-3)，获得至少5组以上数据；根据气体状态方程及物质守恒原则，建立二元一次方程：
PiR*(VR-Vi)+PiV*V＝Pi*(VR-Vi+V)(1)
(a-5)将体积为Vj的标准填块放置入第二容器内，测量步骤同(a-1)、(a-2)、(a-3)、(a-4)，建立二元一次方程：
PjR*(VR-Vj)+PjV*V＝Pj*(VR-Vj+V)(2)
根据基于标准填块体积Vi、Vj建立的二元一次方程组(1)和(2)，联合求解，获得待标定容器V；
(b)当待标定容器的容积估值小于参考室容积时，该标定方法的步骤为：
(b-1)将体积为Vi的标准填块放置入第二容器内；将对系统抽真空后，关闭除F2外所有阀门；
(b-2)缓慢打开阀门F3，使气体进入待标定容器内，压力测量传感器测量的压力为PiV，关闭阀门F2；
(b-3)打开阀门F1，对参考室容器VR抽真空后，关闭阀门F1；
(b-4)打开阀门F2，使气体膨胀至参考室容器内并在系统中达到平衡，压力测量传感器测量的为Pi；
(b-5)改变压力PiV，重复步骤(b-1)、(b-2)、(b-3)、(b-4)，获得至少5组以上数据；
根据气体状态方程及物质守恒原则，建立二元一次方程：
PiR*(VR-Vi)+PiV*V＝Pi*(VR-Vi+V)(3)
(b-6)将体积为Vj的标准填块放置在第二容器内，测量步骤同(b-1)、(b-2)、(b-3)、(b-4)、(b-5)，建立二元一次方程：
PjR*(VR-Vj)+PjV*V＝Pj*(VR-Vj+V)(4)
根据基于标准填块体积Vi、Vj建立的二元一次方程(3)和(4)，联合求解，获得待标定容器V。
6.根据权利要求5所述的对不规则形状气腔容积进行标定的方法，其特征在于，所述方法(a)和方法(b)中的气体为氦气。
7.根据权利要求5所述的对不规则形状气腔容积进行标定的方法，其特征在于，标准填块的体积Vi或Vj可为零。
8.根据权利要求5所述的对不规则形状气腔容积进行标定的方法，其特征在于，对气腔容积标定过程中系统的温度保持恒定，温度波动为±1℃。
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