高精度单浮子磁悬浮密度测量系统研制 李会亚.docVIP

中国工程热物理学会 工程热力学与能源利用 学术会议论文 编号：11 高精度单浮子磁悬浮密度测量系统研制( 李会亚1,2公茂琼1郭浩1,2董学强1吴剑峰1 （1.中国科学院理化技术研究所低温工程学重点实验室，北京 100190; 2.中国科学院研究生院，北京 100049) （Tel：010E-mail：lihuiya3040@126.com） 摘 要 本文在单浮子磁悬浮密度测量原理的基础上研制了一套高精度压力-密度-温度（p-ρ-T）测量系统，该系统的温度、压力和密度的标准测量不确定度分别为5mK、250Pa(1.5MPa量程)/390Pa（3MPa量程）和0.1%。用新研制的密度测量系统，对190-276K温度区间和0-3MPa压力区间的甲烷气体密度进行了测量，实验结果与REFPROP密度值有较好的一致性。 关键词 p-ρ-T；单浮子；磁悬浮；甲烷 0 引言 流体热物性研究是工程热物理学科中最重要的基础研究之一。其中，密度是与压力、温度相关联的参数，这三个参数相结合就可以完全确定物质的状态，通过对（p-ρ-T）数据的测量可以直接推导状态方程，这是描述流体性质和分析热力学过程所必需的基本工具。因此，压力－密度－温度性质是流体最为基本的平衡物性，也是工程热物理学科最为基础的研究内容，更是制冷工质发展和应用的基础。 在各种密度测量方法中，单浮子密度计具有精度高、不需要密度标定流体、可以测量气体和液体、适用的温度和压力区间宽等优点[1]。本文研制了一套压力测量范围为0-3MPa，温度测量范围为77-290K，密度测量范围为0-2000Kg/m3的高精度单浮子磁悬浮密度测量系统，该系统将主要用于纯质、混合制冷剂、其他密度计需要的标定流体密度测量等领域。 1 单浮子磁悬浮密度计的研制 1.1单浮子磁悬浮密度计的基本原理 单浮子密度计基于阿基米德浮力原理，被测流体密度计算公式为： （1） 其中，ms、Vs（T,）分别为浮子的质量和体积，W为浮子淹没在被测流体中的“表观”质量。 基于阿基米德原理的单浮子磁悬浮密度测量基本原理如图1。该部分为Magnetic Suspension Balance (MSB) 主要包括三部分：浮子、磁悬浮耦合机构（Magnetic Suspension Coupling—MSC）和分析天平。该密度测量核心部分由德国Rubotherm Pr?zisionsmesstechnik GmbH 研制，下面对其原理进行简要介绍。 图1. 单浮子磁悬浮密度计的基本原理 浮子的材料为Sims≈20g。Si具有化学稳定性好，等压膨胀系数和等温压缩系数精确，密度低等优点[2]，这就保证了可测的流体种类更多，浮子适用的温度和压力区间更宽，密度测量的准确性更高。DEUTSCHER KALIBRIERDIENST(DKD) 对该浮子进行了体积和密度标定，标准不确定度分别为0.0085%和0.086%。 MSC主要由悬挂在天平下面的电磁体、置于测量腔中的永磁体、位置感应器和控制电路组成。控制电路通过比较位置感应器信号与输入信号（ZP或者MP），调节电磁体线圈中电流大小，其产生的磁场与永磁体之间产生磁力耦合，使永磁体处于不同的稳定悬空状态。当输入信号为Zero Position (ZP)时，永磁体上升至离测量腔顶部大约8mm的位置，此时没有把浮子抬起，传递至天平的力为两个磁体和杆件的重量；当输入信号为Measuring Position (MP) 时，永磁体继续上升并且抬起浮子，传递至天平的力为磁体、杆件和受到浮力的浮子重量。通过这种非接触式的力传递方式来测量浮子重量，使得测量腔结构更为紧凑，充注的被测流体更少，能够承受的压力和温度范围更宽。 该系统采用Sartorius CC111比较天平，分辨率为1μg。两个砝码分别为钛（Ti）（ρ=4507kg/m3，m=4.737g）和钽（Ta）（ρ=16670kg/m3，m=17.496g）。为了在较低密度也能够得到比较精确的结果，该分析天平采用重量补偿的方法。当MSC处于ZP位置时Ta置于天平上，当MSC处于MP位置时， Ti置于天平上。采用这种重量补偿方法，使得ZP和MP位置施加在天平上的重量差远小于不采用此补偿方法，这就大大降低了天平线性漂移引起的误差。两个砝码的体积接近，空气的浮力影响可以忽略[3]。 该密度测量方法能能够消除天平零点漂移、作用在辅助设备上的浮力、测量腔内壁上的吸附作用等，但