[發明專利]低溫流體密度測量裝置

有效

• 申請號: 201210264938.5
• 申請日: 2012-07-27
• 公開（公告）號: CN102759492A
• 公開（公告）日: 2012-10-31
• 發明（設計）人: 黃永華;于琦;翁捷敏
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G01N9/00
• 分類號: G01N9/00
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司 31213
• 代理人: 張澤純

技術領域

本發明涉及低溫流體密度測量，特別是一種應用介電常數法的低溫流體密度測量裝置。

背景技術

準確的低溫流體熱力學性質數據是科學研究和工程設計不可或缺的。航空航天、液化天然氣、低溫超導和空氣分離等領域存在大量低溫流體密度高精度測量的需求，有的甚至要求在線實時測量。充分準確的實驗數據是發展經驗型或者半經驗型狀態方程的必要前提，精密的密度測量裝置對于揭示新流體的熱力學性質的內在規律和描述物質的存在狀態具有重要意義。

低溫流體密度的測量有直接和間接兩種方法。直接法的原理基于阿基米德定律，在稱量出浮子質量和浸在流體中的體積后通過浮力計算介質密度。該方法原理簡單但裝置相對復雜，一般僅適用于液體，所測溫度和壓力范圍小，且浮子存在熱脹冷縮現象造成測量精度下降。間接法種類較多，如振動管式密度計、射線式密度計和電容式密度計等。振動管式密度計通常售價高昂，且溫度最低只能達到-50℃，不能滿足低溫要求。射線式密度計由γ射線的強度變化對應關系獲得被測物質的密度。該方法測量范圍窄，且精度較差。電容式低溫流體密度傳感器利用電容器極板中的介質變化導致它的介電常數變化，電容值隨之變化的原理，通過測量電容進而獲得所測流體密度。電容式低溫流體密度計不僅可以測量純質流體的密度而且可以測量兩相流體（固液兩相和氣液兩相）的密度。

我國在流體密度計量方面的研究起步晚，工藝水平低，目前尚沒有成熟的低溫流體密度計量產品。經過對現有技術的檢索發現，北京航天試驗技術研究所的李亞裕等人（低溫工程，2005，1，p11-16）文獻報道了一套液氧密度標準計量裝置，采用流體靜力稱量法獲得液氧的密度，但未見專利申請。該裝置只適用于溫度90~100K，壓力0.1MPa~0.6MPa，而且結構較復雜，液氧取樣要求條件高。授權號CN1664553A和申請公布號為CN102428357A的發明專利均公開了用振動方法測量流體密度的實驗裝置，申請公布號為CN102288516A的發明專利公開了一種基于MEMS技術的同時測量流體密度、壓力和溫度的集成流體傳感器，這些發明大多局限于很小的溫度和壓力范圍，不能滿足測量低溫流體密度的需求。

發明內容

針對上述現有技術的不足，本發明提供一種基于介電常數法的低溫流體密度測量裝置。該裝置結構簡單，可重復性強，操作方便，且勝任在線監測任務，能夠準確測量純質流體以及兩相混合物（氣液兩相或固液兩相）在80K-310K溫度范圍和0.1MPa-8MPa壓力范圍內的物質密度。

本發明是通過以下技術方案實現的：

一種低溫流體密度測量裝置，其特點在于：該裝置包括充放氣體連接管路、真空外罩和真空外罩法蘭、試樣瓶和試樣瓶法蘭蓋、電容式密度傳感器、導冷底座、溫度測量與控制系統以及壓力測量系統。

所述的充放氣體連接管路由不銹鋼管將充氣截止閥、放氣截止閥、KF25法蘭、三通、計量閥、壓力傳感器、卡套接頭和不銹鋼毛細管依次連接而成；

所述的真空外罩通過所述的真空外罩法蘭固定安裝或拆卸，該真空外罩內供低溫恒溫器冷頭、電加熱器、試樣瓶和試樣瓶法蘭蓋、導冷底座，在所述的試樣瓶內設置電容式密度傳感器和溫度傳感器；

所述的溫度測量與控制系統由低溫恒溫器冷頭、溫度傳感器和電加熱器組成，所述的低溫恒溫器冷頭位于所述的真空外罩內，所述的低溫恒溫器穿透真空外罩盲板法蘭，并通過快速接口實現密封。該恒溫器的室溫端設置有液氮注入口，注入液氮的流量由流量調節活塞控制；

所述的低溫恒溫器的冷頭與導冷底座螺紋連接，該導冷底座具有圓筒結構，供所述的試樣瓶套設在其內，該導冷底座的下面緊貼有電加熱器；所述的溫度傳感器和電容式密度傳感器通過所述的試樣瓶法蘭蓋設在所述的試樣瓶內，所述的溫度傳感器的電極和電容式密度傳感器電極設置在所述的試樣瓶法蘭蓋上，用于采集試樣瓶內的溫度數據和待測電容，所述的溫度傳感器引線、電容式密度傳感器引線和電加熱器引線均通過第二航空接頭引至真空外罩外部的相應儀器設備；

所述的電容式密度傳感器由兩根均勻的同軸的紫銅管堪套制成，之間由聚四氟乙烯支撐結構間隔固定在所述的試樣瓶法蘭蓋上并插設在所述的試樣瓶內，所述的試樣瓶法蘭蓋向外還設有與所述的試樣瓶相通的不銹鋼，該不銹鋼管通過所述的卡套接頭與所述的不銹鋼毛細管的另一端相接；

所述的不銹鋼毛細管采用彈簧式結構；

所述的試樣瓶采用不銹鋼材料制成，可耐10MPa最高壓力。且在原裝置不變的情況下，可以方便地替換試樣瓶；