[发明专利]低温流体密度测量装置

说明书

技术领域

本发明涉及低温流体密度测量，特别是一种应用介电常数法的低温流体密度测量装置。

背景技术

准确的低温流体热力学性质数据是科学研究和工程设计不可或缺的。航空航天、液化天然气、低温超导和空气分离等领域存在大量低温流体密度高精度测量的需求，有的甚至要求在线实时测量。充分准确的实验数据是发展经验型或者半经验型状态方程的必要前提，精密的密度测量装置对于揭示新流体的热力学性质的内在规律和描述物质的存在状态具有重要意义。

低温流体密度的测量有直接和间接两种方法。直接法的原理基于阿基米德定律，在称量出浮子质量和浸在流体中的体积后通过浮力计算介质密度。该方法原理简单但装置相对复杂，一般仅适用于液体，所测温度和压力范围小，且浮子存在热胀冷缩现象造成测量精度下降。间接法种类较多，如振动管式密度计、射线式密度计和电容式密度计等。振动管式密度计通常售价高昂，且温度最低只能达到-50℃，不能满足低温要求。射线式密度计由γ射线的强度变化对应关系获得被测物质的密度。该方法测量范围窄，且精度较差。电容式低温流体密度传感器利用电容器极板中的介质变化导致它的介电常数变化，电容值随之变化的原理，通过测量电容进而获得所测流体密度。电容式低温流体密度计不仅可以测量纯质流体的密度而且可以测量两相流体（固液两相和气液两相）的密度。

我国在流体密度计量方面的研究起步晚，工艺水平低，目前尚没有成熟的低温流体密度计量产品。经过对现有技术的检索发现，北京航天试验技术研究所的李亚裕等人（低温工程，2005，1，p11-16）文献报道了一套液氧密度标准计量装置，采用流体静力称量法获得液氧的密度，但未见专利申请。该装置只适用于温度90~100K，压力0.1MPa~0.6MPa，而且结构较复杂，液氧取样要求条件高。授权号CN1664553A和申请公布号为CN102428357A的发明专利均公开了用振动方法测量流体密度的实验装置，申请公布号为CN102288516A的发明专利公开了一种基于MEMS技术的同时测量流体密度、压力和温度的集成流体传感器，这些发明大多局限于很小的温度和压力范围，不能满足测量低温流体密度的需求。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供一种基于介电常数法的低温流体密度测量装置。该装置结构简单，可重复性强，操作方便，且胜任在线监测任务，能够准确测量纯质流体以及两相混合物（气液两相或固液两相）在80K-310K温度范围和0.1MPa-8MPa压力范围内的物质密度。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种低温流体密度测量装置，其特点在于：该装置包括充放气体连接管路、真空外罩和真空外罩法兰、试样瓶和试样瓶法兰盖、电容式密度传感器、导冷底座、温度测量与控制系统以及压力测量系统。

所述的充放气体连接管路由不锈钢管将充气截止阀、放气截止阀、KF25法兰、三通、计量阀、压力传感器、卡套接头和不锈钢毛细管依次连接而成；

所述的真空外罩通过所述的真空外罩法兰固定安装或拆卸，该真空外罩内供低温恒温器冷头、电加热器、试样瓶和试样瓶法兰盖、导冷底座，在所述的试样瓶内设置电容式密度传感器和温度传感器；

所述的温度测量与控制系统由低温恒温器冷头、温度传感器和电加热器组成，所述的低温恒温器冷头位于所述的真空外罩内，所述的低温恒温器穿透真空外罩盲板法兰，并通过快速接口实现密封。该恒温器的室温端设置有液氮注入口，注入液氮的流量由流量调节活塞控制；

所述的低温恒温器的冷头与导冷底座螺纹连接，该导冷底座具有圆筒结构，供所述的试样瓶套设在其内，该导冷底座的下面紧贴有电加热器；所述的温度传感器和电容式密度传感器通过所述的试样瓶法兰盖设在所述的试样瓶内，所述的温度传感器的电极和电容式密度传感器电极设置在所述的试样瓶法兰盖上，用于采集试样瓶内的温度数据和待测电容，所述的温度传感器引线、电容式密度传感器引线和电加热器引线均通过第二航空接头引至真空外罩外部的相应仪器设备；

所述的电容式密度传感器由两根均匀的同轴的紫铜管堪套制成，之间由聚四氟乙烯支撑结构间隔固定在所述的试样瓶法兰盖上并插设在所述的试样瓶内，所述的试样瓶法兰盖向外还设有与所述的试样瓶相通的不锈钢，该不锈钢管通过所述的卡套接头与所述的不锈钢毛细管的另一端相接；

所述的不锈钢毛细管采用弹簧式结构；

所述的试样瓶采用不锈钢材料制成，可耐10MPa最高压力。且在原装置不变的情况下，可以方便地替换试样瓶；