устройство для определения физических свойств жидкостей и газов

Формула изобретения

1. Устройство для определения физических свойств жидкостей и газов, содержащее корпус с выполненной в нем измерительной камерой, установленный в камере поршень, преобразователь колебаний и блок возбуждения и приема сигналов, регистрации и обработки данных, отличающееся тем, что преобразователь колебаний установлен внутри измерительной камеры с образованием двух измерительных ячеек с постоянной и переменной базами.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что полный объем измерительной камеры много больше изменяющейся части ее объема перемещения поршня.

3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что ячейки с постоянной и переменной базами выполнены сообщающимися.

4. Устройство по пп.1 3, отличающееся тем, что поршень выполнен с большим диаметром, чем диаметр излучающей в сторону поршня поверхности преобразователя колебаний.

5. Устройство по пп. 1 4, отличающееся тем, что оно снабжено вкладышем, установленным в поршневой полости со скользящей посадкой с отражающей торцевой поверхностью со стороны преобразователя колебаний.

6. Устройство по пп. 1 5, отличающееся тем, что противоположный торец вкладыша выполнен вогнутым.

7. Устройство по пп. 1 6, отличающееся тем, что пространство между поршнем и вкладышем заполнено газом с меньшей сжимаемостью, чем исследуемый газ.

8. Устройство по пп. 1 7, отличающееся тем, что пространство между поршнем и вкладышем заполнено жидкостью, не смешивающейся с исследуемой жидкостью.

9. Устройство по пп. 1 8, отличающееся тем, что поршень выполнен с уплотняющим элементом.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для прецизионных измерений физических свойств флюидов при высоких давлениях в нефтяной, газовой, машиностроительной промышленностях, медицине, биологии и т.д.

Известно устройство высокого давления [1] содержащее акустическую камеру с переменной базой и пресс с поршнем, объединенные одним гидравлическим узлом. Соединение поршня с индикатором перемещений позволяет определить расстояние, на которое перемещается поршень, изменение объема исследуемой жидкости под давлением, ее плотности и изотермической сжимаемости.

Недостатком устройства является низкая точность определения указанных характеристик.

Наиболее близким к предлагаемому (прототипом) является ультразвуковое устройство для контроля параметров жидкостей [2] Устройство состоит из камеры высокого давления с поршнем и ультразвуковых пьезопреобразователей, размещенных снаружи корпуса, блока нагружения, измерителя перемещений, электронного блока возбуждения импульсных сигналов, их приема, обработки и регистрации данных.

Недостатками устройства является низкая точность определения акустических параметров, плотности и сжимаемости.

Существенным недостатком перечисленных устройств является их низкая точность определения коэффициента изотермической сжимаемости. Это резко снижает эффективность акустических методов и не позволяет надежно их использовать для определения теплофизических свойств флюидов, таких как изобарная С_P и изохорная С теплоемкости, т. к. отношение C_P/C_V= _T/_S, где _T коэффициент изотермической сжимаемости, _S= 1/c² коэффициент адиабатической сжимаемости, плотность, c скорость звука. При высокой точности определения скорости ультразвука точность определения коэффициента сжимаемости и теплоемкостей, определяется точностью определения плотности и объема и их измерений от давления температуры.

Задача, на решение которой направлено изобретение повышение точности и разрешающей способности измерений физических свойств флюидов при различных P, V, T (P давление, V объем, Т температура).

Поставленная задача решена тем, что в устройстве, содержащем камеру с флюидом, поршень, корпус, термостат, преобразователь колебаний, блок возбуждения и приема сигналов, регистрации и обработки данных, - преобразователь колебаний размещен внутри камеры параллельно торцевой поверхности поршня таким образом, что образует две измерительные ячейки с постоянной и переменной акустическими базами.

Во всех случаях использования изобретения названной совокупности существенных признаков достаточно, т. к. излучение пьезокристалла в ячейку с постоянной акустической базой позволяет определять скорость и поглощение звука, а в ячейку с переменной базой перемещение поршня. Расстояние, на которое перемещают поршень, определяют или по времени прохождения сигнала, или по длине волны и частоте, и/или считая число полуволн, укладывающихся в расстояние от кристалла до отражающей поверхности поршня. Такое расположение преобразователя колебаний позволяет с помощью поршня совместить функцию создания давления с прецизионным измерением, перемещения, изменения объема, плотности, изотермической сжимаемости, скорости и поглощения ультразвука, определения изобарной и изохорной теплоемкостей, коэффициента теплового расширения и др. теплофизических свойств, термодинамических функций и потенциалов и т. д. Кроме того, с помощью поршня компенсируют изменение объема в различных РVТ-условиях.

Использование одновременно с ячейкой постоянной базы, ячейки переменной базы, позволяет также существенно расширить возможности устройства при измерениях коэффициента затухания звука. Возбуждение при этом непрерывных колебаний и проведение измерений в резонаторном режиме позволяет определять перемещение, а отсюда и изотермическую сжимаемость, по измерениям частоты колебаний, т. е. с большой точностью.

Выполнение измерительной камеры объемом, много большим величины его изменения, ведет к повышению стабильности показаний и точности определения величин, связанных с изменением объема плотности, сжимаемости, коэффициента теплового расширения и т. д. Это следует из того, что точность их определения обусловлена также отношением объемов ячеек с переменной и постоянной базами, отношением Dv/v, точностью измерения объема, где V объем, vV - величина изменения объема. Это позволяет также использовать устройство и по другим назначениям, например как прецизионный измеритель температуры.

Однако объем камеры целесообразно назначать, исходя из его оптимального значения, определяемого требуемой точностью измеряемых величин. Чрезмерное увеличение объема усложняет системы создания и поддержания давления, увеличивает его габариты и металлоемкость.

Выполнение ячеек сообщающимися позволяет иметь в них идентичные условия, упрощает устройство и повышает его надежность.

Выполнение поршня с большим диаметром, чем диаметр излучающей в сторону поршня поверхности преобразователя колебаний, позволяет уменьшить дифракционные искажения сигнала.

Размещение по скользящей посадке в канале между поршнем и преобразователем колебаний поршневого вкладыша повышает надежность герметизации устройства за счет притертости поверхностей вкладыша и канала и возможности дополнительно уплотнить поршень, т. к. роль отражателя выполняет вкладыш и посадочные требования к поршню существенно упрощаются.

Это расширяет и возможности устройства при исследованиях в более широком диапазоне изменений давления и температуры. Указанное размещение вкладыша одновременно повышает точность измерений, т. к. гарантирует параллельность отражающей поверхности вкладыша и излучающей поверхности преобразователя колебаний. Этого трудно добиться с помощью отражающей поверхности уплотненного поршня, поскольку она будет неизбежно отклоняться от требуемого положения из-за влияния уплотнений (или сальников).

Выполнение противоположного торца поршневого вкладыша вогнутым внутрь тела вкладыша дополнительно герметизирует измерительную камеру при увеличении давления и практически полностью исключает возможность влияния других, кроме основной, отраженных волн.

Заполнение пространства между поршнем и вкладышем флюидом с большим модулей упругости, чем исследуемый флюид, позволяет более эффективно осуществлять передачу давления в измерительную камеру с помощью основного поршня. Выбор флюидов несмешивающимися уменьшает вероятность проникновения их в зазор между вкладышем и поверхностью корпуса.

Выполнение корпуса устройства или его элемента таким образом, что он образует с поршнем плунжерную пару, повышает точность измерений и надежность устройства, уплотнение поршня также служит этой цели и одновременно расширяет диапазон достигаемых давлений.

На фиг. 1 изображена принципиальная конструкция устройства; на фиг. 2 - конструкция устройства с поршневым вкладышем.

Устройство содержит корпус 1, представляющий собой сосуд высокого давления, в котором на держателе 2 с отверстиями 3 с помощью крепежного элемента 4 установлен преобразователь колебаний 5 (в данном примере - пьезокристалл ниобата лития среза У-З6) таким образом, что образует две измерительные ячейки с постоянной 6 и переменной 7 акустическими базами. Для создания давления в измерительных ячейках служит поршень 8 с отражающей ультразвуковые волны поверхностью 9, выполненный с элементом корпуса 1, в котором он движется как плунжерная пара. Через отверстие 10 камеру для измерений заполняют флюидом. Камера снабжена датчиками давления 11 (например, манганиновым манометром) и температуры 12 (например, термопарой), соединенными через электровводы высокого давления (не показаны), выполненными в крышке 13, с электронным блоком возбуждения и приема сигналов, регистрации и обработки данных 14. С блоком 14 также через электровводы высокого давления соединены электроды, напыленные на поверхности пьезокристалла 5 (не показаны), на крышке 13 выполнена отражающая поверхность 15, параллельная излучающей поверхности пьезокристалла 5.

Измерительные ячейки 6 и 7 могут заполнять как одним и тем же, подлежащим исследованию флюидом, так и исследуемым, например, эталонным флюидом. При этом давление из ячейки 7 передается в ячейку 6, например, через упругий элемент (не показан), перекрывающий отверстия 3 и разделяющий флюиды. В этом случае нет необходимости устанавливать датчики 11 и 12, т. к. ячейка 6 может использоваться как измеритель давления или температуры.

Для проведения измерений при изменении температуры и в различных термодинамических условиях устройство помещают в термостатирующую рубашку (не показана).

На фиг.2 показан еще один вариант исполнения устройства, где пьезокристалл 5 разделяет камеру для измерений на ячейку 6 с постоянной акустической базой и ячейку 7 с переменной базой, для сообщаемости ячеек в кристалле выполнены отверстия 16. Между поршнем 8 и пьезокристаллом 5 размещен поршневой вкладыш 17 с отражающей поверхностью 18 и вогнутой внутрь вкладыша поверхностью 19 для лучшей герметизации и расширения диапазона давлений служит уплотнение 20.

Устройство можно выполнять также с дополнительно установленными преобразователями колебаний (не показаны) вместо отражающих поверхностей 15 на крышке 13 и/или 9 на поршне 8. Такое размещение преобразователей несколько усложняет конструкцию, но в то же время расширяет возможности устройства, позволяет использовать различные измерительные схемы, облегчает задачу выделения сигнала, прошедшего через флюид. Аналогично прототипу, дополнительные преобразователи могут быть вынесены за пределы корпуса. При этом размеры крышки и поршня рассчитывают как акустические задержки или выполняют в них звуководы акустические задержки.

Измерения проводят следующим образом.

Известными методами определяют объем устройства, подлежащий заполнению исследуемым флюидом. Через отверстие 10 вакуумируют камеру для измерений. Термостатируют устройство и бюретку (не показана) с подлежащим исследованию флюидом, в данном примере газовый конденсат, при комнатной температуре (или требуемой температуре).

При этой же температуре известными методами определяют плотность конденсата, например, методом гидростатического взвешивания. Затем заполняют ячейки 6, 7 газовым конденсатом, закрывают отверстие 10 заглушкой (не показана) с помощью термостата достигают температуры, при которой нужно провести измерения, и поддерживают ее. Подают на пьезокристалл 5 синусоидальный сигнал. В ячейке с постоянной базой проводят измерения резонансной частоты, добротности, скорости и поглощения ультразвука, известными для интерферометра с постоянной базой, методами. Перемещая поршень, повышают давление с обеих ячейках и проводят измерения акустических характеристик в зависимости от давления при постоянной температуре. По изменению чистоты колебаний при движении поршня определяют величину его перемещения и изменение объема и плотности, а с помощью датчика 11 измеряют давление в ячейках.

Коэффициент изотермической сжимаемости определяют из выражения



где V объем;

Т температура;

Р давление;

f_рез резонансная частота;

K коэффициент пропорциональности.

Плотность можно определить из выражения:



где _o плотность и объем при атмосферном давлении, соответственно;

_p плотность и объем при давлении P.

Зная наряду с традиционными акустическими параметрами изотермическую сжимаемость и плотность, известными методами рассчитывают комплекс термодинамических, теплофизических молекулярно-кинетических и физико-химических свойств, функций и потенциалов и т. д.

Таким образом, устройство позволяет не только определять с высокой точностью традиционные акустические параметры, но и теплофизические свойства, до сих пор определяемые, в основном, калориметическими методами, а также плотность и изотермическую сжимаемость, существенно расширить возможности акустических методов. Кроме того, физические принципы, заложенные в устройстве, позволяют аналогичную конструкцию в подобных целях использовать и с другими типами источников (преобразователей) колебаний, например электромагнитных СВЧ-колебаний.