CN1107231A - 测量流体物理性质的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种精确测量流体在不同压力及 温度下的物理性质(等温压缩量、绝热压缩量、密度、 热膨胀系数、超声速度和吸收)及根据流体的比热测 定其它热物理和热化学性质、函数和化学势的装置， 该装置主要包括：作为带有测量室的高压容器的壳体 (1)、活塞(8)，用于信号激励和接收、数据储存和处理 的组件(14)，振荡变换器(5)，处于测量室内并形成两 个相联系的测量单元—带有恒定基线声学测量单元 (6)和具有可变基线声学测量单元(7)，在活塞和振荡 变换器之间以滑动配合的方式配置有活塞衬垫 (17)。

Description

本发明属于仪表结构领域，可以用于精确测量应用在石油工业、气体生产、机器制造工业、医学和生物学等领域中的流体的物理性质。

通过液压组件使带有可变基线声学测量室和带有活塞的压机组合在一起的高压装置（V.N.Be/oneko《Ultrasonics》1991.Vo1293月P108）早已公知，该装置通过将活塞同位移指示器相连，可以测定活塞移动的距离，以便在压力作用下测量待研究流体的体积变化、流体的密度和等温压缩量。该装置的缺点是测量上述特性的精度低。

在本质上最接近本发明的技术方案是用于检测液体参数的超声装置（A.C.CCCP N122629 GO1N29/00 1986），这种装置包括装有活塞的高压室和放置在外壳外面的压电变换器，加载单元，位移测量装置，激励脉冲、接收脉冲、处理脉冲和存储数据的电子组件。

这种装置的缺点是对声学参数、密度和可压缩性进行测量时精度低。

上述所列举的两种装置的主要缺点是测量等温压缩系数的精度低。这将严重降低声学方法的有效性，而且不能可靠地将这些方法用于测量流体的热物理性能，例如测量定压比热Cρ和定容比热CV，因为关系式Cρ/CV＝β_T/β_S，式中β_T-等温压缩系数，β_S＝ 1/(PC²) -绝热压缩系数，ρ-密度，C-声速。在高精度地测量超声速度的条件下，压缩系数和比热比的测量精度与密度和体积的测量精度以及它们随压力和温度的变化有关。

本发明的任务是要提高在不同的PVT（P-压力，V-体积，T-温度）条件下对流体物性测量的精度和分辨率。

完成上述任务的技术方案是采用包括盛有流体的测量室，活塞，外壳、恒温调节器，振荡变换器，激励和接收信号、存储和处理数据的组件的装置。其中振荡变换器被配置在测量室内并与活塞端部平面平行，从而构成两个测量单元-带有恒定基线和带有可变基线的声学测量单元。

借助于带有恒定基线声学测量单元中的压电晶体的辐射能够测量声音的速度和吸收，通过带有可变基线声学测量单元中的压电晶体的辐射能够测量活塞的位移。根据信号通过的时间或根据波长和频率测定活塞移动的距离，和/或计算出表示从晶体到活塞的反射平面的距离的半波数。按上述配置的振荡变换器能够借助活塞建立压力与被精确测量的参数（位移、体积的变化、密度、等温压缩量、超声速度和吸收、定容比热和定压比热、热膨胀系数△P、热物理性质、热力学函数和化学势等）之间的函数关系。此外，还能借助于活塞补偿在不同PVT条件下体积的变化。

此外，利用恒定基线声学测量单元和可变基线声学测量单元还能大体上将装置的应用扩展到测量声音的阻尼系数、在连续振荡条件下的激励以及在共振状态下测定位移，并由此通过高精度测量振荡测定等温压缩量。

采用体积变化量很大的测量室可以提高绝热系数的测量精度以及与体积变化有关的参数（密度、可压缩量、热膨胀系数）的测量精度因为上述参数的测量精度取决于带有可变基线和恒定基线的声学测量单元的体积比、比值△v/v、△f/f、体积测量精度和频率测量精度，其中v为体积，△v为体积变化、f为带有可变基线声学测量单元的频率，△f为频率的变化。同样，这种装置还可用于其它用途，例如用作温度精密测量装置。

然而，测量室的体积是根据测量值的精度所要求的体积最佳值合理确定的。过分地增大该体积可能使压力产生和保持系统变得复杂，而且会加大系统尺寸，增加金属材料的用量。

采用相连通的测量单元可以在相同的条件下简化装置，并提高装置的可靠性。

使活塞的直径大于沿活塞方向辐射的辐射振荡器的平面的直径可以减少信号的衍射。

通过使活塞衬垫在活塞和振荡变换器之间的通道中滑动配合，以及采取研磨衬垫和通道平面的措施可以提高装置的气密可靠性，并可以附加提高活塞的密封性能。由于衬垫还起反射器的作用，使同活塞的配合要求大大简化。

这样便可以将装置扩展用到宽范围的压力和温度测量的研究中，因为能确保衬垫的反射平面同振荡变换器辐射平面的平行度，所以上述衬垫的设置还提高了测量精度。而借助于密封活塞的反射表面是难以达到这个目的的，因为由于压缩（或滑动）的影响，活塞将不可避免地偏离所要求的位置。

利用一端凹向衬垫内部的活塞衬垫的另一端可以提高测量室在加大压力的条件下的气密性，并且实际上可完全排除反射波之外的其它波的影响。

借助于底部的活塞可以将比研究流体弹性模量大的流体充满在活塞和衬垫之间。选择互不相溶的流体可减少流体在衬垫和外壳间的缝隙中渗透的可能性。

加工装置的外壳或其元件，使外壳同活塞构成柱塞偶件，从而提高了装置的测量精度和可靠性。加强活塞的密封也能达到此目的，同时扩大了所达到的压力范围。

下面结合附图说明本发明装置的结构。

图1为本发明装置的原理结构图;

图2为本发明的带有活塞衬垫的装置的结构图。

该装置包括作为高压容器的壳体1，振荡变换器5（在这个例子中为沿y-36切割的铌酸锂压电晶体）通过固定元件4被安装在壳体1内的加工有孔3的支架2上，由此构成两上测量单元-具有不变基线的声学测量单元（6）和具有可变基线的声学测量单元（7）。为了在上述测量单元内产生压力，使同壳体1-起制作的活塞8具有一个反射超声波的平面9，作为柱塞偶件的活塞在壳体1中移动。通过孔10使测量室充满流体，测量室中装有压力传感器11（例如磁压力计）和温度计12（例如热电偶），压力传感器11和温度计12通过装在罩13内的耐高压的电引线（未示出）与信号激励和接收、数据存储和处理的电子组件14相连。电子组件14还通过耐高压的电极（未示出）同朝向压电晶体5平面的电极相连。在罩13上设置一个平行于变换器5的辐射平面的反射平面15。

测量单元6和7中可以充入同一种待研究的流体，例如充入同一种待研究的标准流体。在这种情况下，使压力从单元7通过盖在孔3上将流体隔开的元件（未示出）传递到单元6中。在这种情况下，没有必要安装传感器11和12，因为测量单元6可以作为压力和温度测量器使用。

为了在温度变化的状态下及在不同的热力学条件下进行测量，可以将装置放置在恒温管内（未示出）。

下面以下述例子结合附图对本发明进行说明。

例1.图2示出了本发明装置的另一方案，在该装置中，压电晶体5将测量室分为具有不变基线声学测量单元6和具有可变基线声学测量单元7，并使上述两个单元连通，在晶体上加工有孔16。活塞8和压电晶体5之间配置有具有反射平面18和凹向衬垫内部的平面19的活塞衬垫17。利用密封件20，可以更好地密封并扩展压力范围。

例2.通过配置一些附加振荡变换器（未示出）代替罩13上的反射平面15和/或活塞8上的反射平面9。虽然这样布置的变换器使结构变得复杂，但却扩展了装置的应用，可以使其适用于不同的测量系统中，并减轻了流体信号分离工作。与现有的装置类似，在本发明的装置中也可将上述附加变换器置于壳体之外。这时，罩和活塞的大小应根据作为声阻挡器的要求计算，或者在罩和活塞上加工出声学波纹-声阻挡器。

测量方法如下：

用已知的方法测定被充入的研究的流体在装置中的体积，通过孔10对测量室抽真空，保持装置恒温，并使装有待研究的流体（此例中为在室温下或需要的温度下的气体冷凝物）的滴管（未示出）保持恒温。

在此温度下，用已知的方法测量冷凝物的密度，例如用流体静力学称量方法测量。然后，将该气体冷凝物充入单元6、7中，并用塞子（未示出）塞入孔10中，借助恒温器将上述单元之内的温度升到进行测量所需的温度，并保持温度恒定。将正弦波信号供给压电晶体5。在具有不变基线的声学单元中用在带有可变基线的干涉仪的领域中公知的方法对超声频率、品质因数、速度和吸收等进行测量。移动活塞以便提高两个单元中的压力，测量在恒定温度下声学特性与压力的关系。在活塞运动时，通过改变振荡频率测量活塞的位移量、体积的改变和密度值，借助传感器11测量两个单元中的压力。

等温压缩系数由公式

β_T＝

确定，式中V-体积，T-温度，P-压力，fpe3-共振频率，K-比例系数。

将具有可变基线声学测量单元的共振频率同具有不变基线声学测量单元的共振频率进行比较还可以补偿温度误差对测量结果的影响。

密度可由公式

(ρP)/(ρo) ＝ (Vo)/(Vp)

确定，式中ρ_O，V_O分别为在大气压下的密度和体积，ρ_P和V_P分别为在压力P下的密度和体积。

除一般的声学参数外，又已知等温压缩量，密度，就可以用已知的方法计算热力学、热物理分子学、动力学和物理化学性质的总合，物理化学函数和化学势等。根据本发明装置的基本原理，还可以采用适用于类似目的类似结构以及其它类型的振荡源（变换器），例如采用电磁振荡器和超高频振荡器。

本发明可以有效地精确测量用于石油工业、气体生产、机器制造工业以及医学、生物学中的流体的物理性质，不仅能高精度地测量一般的声学参数，还能测定至今仍根据量热学测量方法测量的热物理性质。

对于本领域的专业人员来说，本发明的装置的其它可能应用和优越性是显而易见的。

Claims (12)

1、用于测定流体物理性质的装置，包括：带有测量室的壳体，一个活塞，振荡变换器，用于激励和接收信号、存储和处理数据的组件，其特征在于所述的变换器安装在测量室的内部并且同活塞的端面平行，从而将测量室分为两个测量单元：具有不变基线的声学测量单元和具有可变基线的声学测量单元。

2、如权利要求1所述的装置，其特征在于具有不变基线声学测量单元的体积大于具有可变基线声学测量单元的体积。

3、如权利要求1或2所述的装置，其特征在于测量室总的体积比其变化的部分大得多。

4、如权利要求1或2所述的装置，其特征在于具有不变基线声学测量单元和具有可变基线声学测量单元用作共振器。

5、如权利要求1、2或4所述的装置，其特征在于具有不变基线声学测量单元和具有可变基线声学测量单元相互连通。

6、如权利要求1所述的装置，其特征在于上述振荡变换器由压电晶体制成。

7、如权利要求1所述的装置，其特征在于该装置装有一个活塞衬垫，衬垫朝向振荡变换器一端的端平面为反射端平面，该衬垫以滑动配合的方式设置在活塞和振荡变换器之间。

8、如权利要求7所述的装置，其特征在于活塞衬垫远离振荡变换器一端具有凹向衬垫内部的凹表面。

9、如权利要求1、7或8所述的装置，其特征在于在活塞和活塞衬垫的空间内充有压缩系数小于待研究的流体的压缩系数的流体。

10、如权利要求1、7、8或9所述的装置，其特征在于在活塞和衬垫之间装有与待研究流体不相溶的流体。

11、如权利要求1或7所述的装置，其特征在于活塞和/或活塞衬垫与壳体构成柱塞偶件，活塞和/或活塞衬垫可在壳体内移动。

12、如权利要求1或11所述的装置，其特征在于将活塞加工成密封结构。

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