專利名稱：一種多次諧波測(cè)量工質(zhì)跨臨界熱物性的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于工質(zhì)熱物性測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種多次諧波測(cè)量工質(zhì)跨臨界熱物性的方法及裝置。
背景技術(shù)：
目前，在新能源的開發(fā)利用、低品位余熱回收等領(lǐng)域，以C02為工質(zhì)的壓縮式熱泵工作循環(huán)過程中C02分別經(jīng)過亞臨界、臨界和超臨界狀態(tài)變化過程，清潔能源LNG的生產(chǎn)、儲(chǔ)運(yùn)和利用過程中天然氣經(jīng)歷了跨臨界狀態(tài)變化，天然氣水合物在合成和分解過程中天然氣也經(jīng)歷了復(fù)雜的相態(tài)變化，上述三種工質(zhì)的跨臨界熱物性是新能源和清潔能源的開發(fā)、利用、儲(chǔ)運(yùn)工藝設(shè)計(jì)必不可少的基礎(chǔ)資料，這些工質(zhì)的跨臨界熱物性日益成為國(guó)際上研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。上述工質(zhì)在跨越臨界的狀態(tài)變化過程中，其熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率、比熱等熱物性參數(shù)在臨界點(diǎn)附近區(qū)域會(huì)出現(xiàn)突變，并且臨界區(qū)域的熱物性參數(shù)難于用已有的理論模型進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)；由于跨臨界壓力范圍寬，常規(guī)的實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)裝置難于實(shí)現(xiàn)跨臨界測(cè)量。相比低壓下工質(zhì)的熱物性測(cè)量，跨臨界熱物性測(cè)量無論在測(cè)試原理方面還是在測(cè)量裝置方面都提出了新的挑戰(zhàn)。當(dāng)前缺乏測(cè)量跨臨界C02、LNG和天然氣水合物等氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)工質(zhì)熱物性的有效通用方法，在液體熱物性表征方面，熱線法和穩(wěn)態(tài)法主要用于測(cè)量亞臨界狀態(tài)下的熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散率，但是測(cè)試樣品量比較大，壓力范圍一般為亞臨界，難于實(shí)現(xiàn)跨臨界狀態(tài)下熱物性的測(cè)量；傳統(tǒng)測(cè)試方法溫升大，容易引起液體和氣體的自然對(duì)流，測(cè)量誤差大；工質(zhì)狀態(tài)單一，只能進(jìn)行液態(tài)或固態(tài)工質(zhì)的熱物性參數(shù)測(cè)試，難于同時(shí)實(shí)現(xiàn)PVT性質(zhì)的測(cè)量；力口熱線熱容大，難于實(shí)現(xiàn)氣體工質(zhì)的熱物性測(cè)量；測(cè)試結(jié)果難于驗(yàn)證。長(zhǎng)熱線法已廣泛用于不同壓力、溫度條件下液體的熱擴(kuò)散率測(cè)量，屬于時(shí)域內(nèi)典型的非穩(wěn)態(tài)熱物性測(cè)量技術(shù)。短熱線法已用于不同壓力、溫度條件下微量液體工質(zhì)的熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率測(cè)量，由于短熱線尺度小，易于實(shí)現(xiàn)電絕緣。3ω線法采用的微型探針與短熱線法的短熱線結(jié)構(gòu)類似，利用差動(dòng)放大電路和鎖相技術(shù)測(cè)量3ω諧波，已用于導(dǎo)電、非導(dǎo)電液體、氣體、不同形狀固體(薄膜、線、顆粒等)的熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率測(cè)量。長(zhǎng)熱線法測(cè)量液體熱導(dǎo)率的技術(shù)方案利用直流電加熱熱線，測(cè)量熱線溫度隨頻率的變化得到液體的熱導(dǎo)率。短熱線法測(cè)量液體、氣體熱導(dǎo)率的技術(shù)方案短熱線采用直流電加熱，利用高精度數(shù)字萬用表測(cè)量微型探針兩端電壓隨時(shí)間的變化，得到液體或氣體的熱導(dǎo)率。3ω線法測(cè)量液體熱導(dǎo)率的技術(shù)方案微型探針同時(shí)用作加熱器和測(cè)溫器，施加微弱正弦交流信號(hào)加熱，在低頻下利用差動(dòng)放大電路和鎖相放大器測(cè)量微型探針產(chǎn)生的三次諧波，利用溫升與頻率曲線的斜率得到液體的熱導(dǎo)率?，F(xiàn)有技術(shù)提供的測(cè)量工質(zhì)熱物性的方法，存在的問題及缺陷有①探針長(zhǎng)度大，試樣用量大，壓力、溫度、比容變工況困難；②壓力變化范圍窄，難以同時(shí)涵蓋常壓、亞臨界、超臨界；③在同一套測(cè)試裝置中只能實(shí)現(xiàn)單一測(cè)量原理，不能實(shí)現(xiàn)多次諧波分別測(cè)量熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散率，測(cè)試結(jié)果不能自我驗(yàn)證；④未考慮探針熱容和端部效應(yīng)，尤其對(duì)于氣態(tài)工質(zhì)，測(cè)試精度低；⑤難于實(shí)現(xiàn)工質(zhì)的PVT關(guān)系測(cè)量；⑥探針直徑和溫升大，難于減弱氣態(tài)、液態(tài)工質(zhì)自然對(duì)流的影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種多次諧波測(cè)量工質(zhì)跨臨界熱物性的方法及裝置，旨在解決現(xiàn)有技術(shù)提供的測(cè)量工質(zhì)熱物性的方法，存在探針長(zhǎng)度大，試樣用量大，壓力、溫度、比容變工況困難；壓力變化范圍窄，難以同時(shí)涵蓋常壓、亞臨界、超臨界；在同一套測(cè)試裝置中只能實(shí)現(xiàn)單一測(cè)量原理，不能實(shí)現(xiàn)多次諧波分別測(cè)量熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散率，測(cè)試結(jié)果不能自我驗(yàn)證；未考慮探針熱容和端部效應(yīng)，測(cè)試精度低；難于實(shí)現(xiàn)工質(zhì)的PVT關(guān)系測(cè)量；探針直徑和溫升大，難于減弱氣態(tài)、液態(tài)工質(zhì)自然對(duì)流的影響的問題。本發(fā)明的目的在于提供一種多次諧波測(cè)量工質(zhì)跨臨界熱物性的裝置，該裝置包括試樣腔、夾套、上端蓋、熱電偶、探針支架、微型探針、導(dǎo)管、單向止回閥、精密調(diào)節(jié)閥、壓 力傳感器、程控電阻、計(jì)算機(jī)、外部測(cè)量系統(tǒng)；所述試樣腔的圓周上設(shè)置有所述夾套，所述試樣腔的上部設(shè)置有所述上端蓋，所述上端蓋上安裝有所述熱電偶及探針支架，所述探針支架上安裝有所述微型探針；所述試樣腔的下部安裝有所述壓力傳感器及導(dǎo)管，所述導(dǎo)管上安裝有所述單向止回閥及精密調(diào)節(jié)閥，所述精密調(diào)節(jié)閥通過所述程控電阻與所述計(jì)算機(jī)相連接，所述計(jì)算機(jī)與所述外部測(cè)量系統(tǒng)相連接。進(jìn)一步，所述外部測(cè)量系統(tǒng)包括數(shù)字萬用表、鎖相放大器、交流/直流電源、數(shù)據(jù)采集器；所述數(shù)字萬用表、鎖相放大器及交流/直流電源分別與所述數(shù)據(jù)采集器相連接，所述數(shù)據(jù)采集器與所述計(jì)算機(jī)相連接，所述交流/直流電源通過引線與所述微型探針相連接。進(jìn)一步，所述微型探針的直徑為1-10 μ m，長(zhǎng)度為l_2mm，由鉬或硅+鋁復(fù)合材料或金制成，微型探針的電阻為5-10 Ω，微型探針的電阻溫度系數(shù)小于10PPM。進(jìn)一步，所述試樣腔的外部為圓柱狀，內(nèi)部工質(zhì)的體積為10_20ml，所述試樣腔的外部夾套層的厚度為5-10mm。進(jìn)一步，所述夾套內(nèi)通液氮實(shí)現(xiàn)試樣腔內(nèi)最低_165°C的低溫環(huán)境，所述夾套內(nèi)壁布置電加熱器實(shí)現(xiàn)試樣腔內(nèi)最高100°c的高溫環(huán)境。本發(fā)明的另一目的在于提供一種多次諧波測(cè)量工質(zhì)跨臨界熱物性的方法，該方法包括以下步驟在步驟一中，將試樣腔抽成真空，測(cè)量微型探針的電阻溫度系數(shù)、熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率及比熱，并標(biāo)定試樣腔的內(nèi)部容積；在步驟二中，向試樣腔內(nèi)注入高壓工質(zhì)，設(shè)定試樣腔內(nèi)工質(zhì)溫度并保持恒定，并進(jìn)行O ω、I ω、3 ω諧波測(cè)量；在步驟三中，重復(fù)步驟一、步驟二，在跨臨界壓力范圍及不同壓力、溫度條件下進(jìn)行O ω、I ω、3 ω諧波測(cè)量；在步驟四中，利用多次諧波得到工質(zhì)的熱物性，并進(jìn)行自適應(yīng)驗(yàn)證。
進(jìn)一步，所述微型探針的熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率及比熱通過3ω線法進(jìn)行測(cè)量，所述試樣腔的內(nèi)部容積利用蒸餾水及乙醇進(jìn)行標(biāo)定。進(jìn)一步，所述向試樣腔內(nèi)注入高壓工質(zhì)的實(shí)現(xiàn)方法為通過單向止回閥向試樣腔內(nèi)注入高壓工質(zhì)，借助壓力傳感器和精密調(diào)節(jié)閥控制注入量，利用稱重法測(cè)量工質(zhì)注入量；所述設(shè)定試樣腔內(nèi)工質(zhì)溫度并保持恒定的實(shí)現(xiàn)方法為通過夾套內(nèi)壁上的電加熱器設(shè)定試樣腔內(nèi)工質(zhì)溫度并保持恒定，或在夾套內(nèi)通過液氮控制試樣腔內(nèi)工質(zhì)溫度并保持恒定；所述進(jìn)行0ω諧波測(cè)量的實(shí)現(xiàn)方法為 利用交流/直流電源輸出的直流電加熱微型探針，控制探針溫升小于IK ；利用高精度數(shù)字萬用表測(cè)量微型探針兩端的電壓隨時(shí)間的變化；所述進(jìn)行1ω、3ω諧波測(cè)量的實(shí)現(xiàn)方法為利用交流/直流電源輸出的交流電加熱微型探針，控制探針溫升小于IK ；調(diào)整鎖相放大器的動(dòng)態(tài)儲(chǔ)存，利用鎖相放大器測(cè)量微型探針兩端的I ω、3 ω諧波隨頻率的變化，改變交流電流頻率，重復(fù)測(cè)量I ω、3 ω諧波隨頻率變化。進(jìn)一步，所述利用多次諧波得到工質(zhì)的熱物性的實(shí)現(xiàn)方法為考慮微型探針的熱容和端部效應(yīng)對(duì)多次諧波線法測(cè)量工質(zhì)熱物性的原理進(jìn)行改進(jìn);利用得到的多次諧波隨時(shí)間或頻率的變化曲線進(jìn)行擬合，分別得到跨臨界區(qū)域內(nèi)工質(zhì)的熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率、比熱和PVT關(guān)系；進(jìn)一步，所述進(jìn)行自適應(yīng)驗(yàn)證的實(shí)現(xiàn)方法為將Οω諧波、1ω諧波和3 ω諧波各自獨(dú)立測(cè)量得到的熱物性參數(shù)進(jìn)行相互驗(yàn)證。本發(fā)明提供的多次諧波測(cè)量工質(zhì)跨臨界熱物性的方法及裝置，微型探針尺度小，試樣用量少，便于試樣腔的加熱、深冷、升壓、保溫，具備微尺度熱測(cè)試特征；采用精密調(diào)節(jié)閥和單向止回閥，高壓工質(zhì)從外部通過導(dǎo)管注入，便于實(shí)現(xiàn)工質(zhì)的跨臨界壓力變化，易于實(shí)現(xiàn)跨臨界狀態(tài)；將直流和交流加熱融合在一起，同一裝置具備多次諧波的獨(dú)立測(cè)量功能，易于實(shí)現(xiàn)多次諧波測(cè)量；利用多次諧波分別測(cè)量工質(zhì)的熱物性，不同次諧波的測(cè)量結(jié)果互相驗(yàn)證以保證臨界區(qū)域測(cè)量結(jié)果的合理性，自我驗(yàn)證能力強(qiáng)；利用鎖相放大器直接測(cè)量微型探針產(chǎn)生的多次諧波，不采用復(fù)雜的差動(dòng)放大電路，測(cè)試系統(tǒng)簡(jiǎn)單；可適用于C02、天然氣的氣、液、固不同狀態(tài)下的多個(gè)熱物性參數(shù)測(cè)量，通用性強(qiáng)，利用簡(jiǎn)易的測(cè)試裝置和多次諧波法實(shí)現(xiàn)了跨臨界多個(gè)熱物性參數(shù)的同時(shí)測(cè)量，考慮微型探針的熱容和端部效應(yīng)使得測(cè)量原理適用于氣、液、固不同狀態(tài)工質(zhì)，在同一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了多次諧波的同時(shí)測(cè)量，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)，具有較強(qiáng)的推廣與應(yīng)用價(jià)值。


圖I是本發(fā)明實(shí)施例提供的多次諧波測(cè)量工質(zhì)跨臨界熱物性的裝置的結(jié)構(gòu)框圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的多次諧波測(cè)量工質(zhì)跨臨界熱物性的方法的實(shí)現(xiàn)流程圖。圖中1、試樣腔；2、夾套；3、上端蓋；4、熱電偶；5、探針支架；6、微型探針；7、導(dǎo)管；8、單向止回閥；9、精密調(diào)節(jié)閥；10、壓力傳感器；11、程控電阻；12、計(jì)算機(jī)；13、外部測(cè)量系統(tǒng)；131、數(shù)字萬用表；132、鎖相放大器；133、交流/直流電源；134、數(shù)據(jù)采集器。
具體實(shí)施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定發(fā)明。圖I示出了本發(fā)明實(shí)施例提供的多次諧波測(cè)量工質(zhì)跨臨界熱物性的裝置的結(jié)構(gòu)。為了便于說明，僅示出了與本發(fā)明相關(guān)的部分。該裝置包括試樣腔I、夾套2、上端蓋3、熱電偶4、探針支架5、微型探針6、導(dǎo)管7、單向止回閥8、精密調(diào)節(jié)閥9、壓力傳感器10、程控電阻11、計(jì)算機(jī)12、外部測(cè)量系統(tǒng)13 ； 試樣腔I的圓周上設(shè)置有夾套2，試樣腔I的上部設(shè)置有上端蓋3，上端蓋3上安裝有熱電偶4及探針支架5，探針支架5上安裝有微型探針6 ；試樣腔I的下部安裝有壓力傳感器10及導(dǎo)管7，導(dǎo)管7上安裝有單向止回閥8及精密調(diào)節(jié)閥9，精密調(diào)節(jié)閥9通過程控電阻11與計(jì)算機(jī)12相連接，計(jì)算機(jī)12與外部測(cè)量系統(tǒng)13相連接。在本發(fā)明實(shí)施例中，外部測(cè)量系統(tǒng)13包括數(shù)字萬用表131、鎖相放大器132、交流/直流電源133、數(shù)據(jù)采集器134 ；數(shù)字萬用表131、鎖相放大器132及交流/直流電源133分別與數(shù)據(jù)采集器134相連接，數(shù)據(jù)采集器134與計(jì)算機(jī)12相連接，交流/直流電源133通過引線與微型探針6相連接。在本發(fā)明實(shí)施例中，微型探針6的直徑為1-10 μ m，長(zhǎng)度為l_2mm，由鉬或硅+鋁復(fù)合材料或金制成，微型探針6的電阻為5-10 Ω，微型探針6的電阻溫度系數(shù)小于10PPM。在本發(fā)明實(shí)施例中，試樣腔I的外部為圓柱狀，內(nèi)部工質(zhì)的體積為10_20ml，試樣腔I的外部夾套2層的厚度為5-10mm。在本發(fā)明實(shí)施例中，夾套2內(nèi)通液氮實(shí)現(xiàn)試樣腔I內(nèi)最低_165°C的低溫環(huán)境，夾套2內(nèi)壁布置電加熱器實(shí)現(xiàn)試樣腔I內(nèi)最高100°C的高溫環(huán)境。圖2示出了本發(fā)明實(shí)施例提供的多次諧波測(cè)量工質(zhì)跨臨界熱物性的方法的實(shí)現(xiàn)流程。該方法包括以下步驟
在步驟S201中，將試樣腔I抽成真空，測(cè)量微型探針6的電阻溫度系數(shù)、熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率及比熱,并標(biāo)定試樣腔I的內(nèi)部容積；在步驟S202中，向試樣腔I內(nèi)注入高壓工質(zhì)，設(shè)定試樣腔I內(nèi)工質(zhì)溫度并保持恒定，并進(jìn)行0 、103、3 諧波測(cè)量；在步驟S203中，重復(fù)步驟S201、步驟S202，在跨臨界壓力范圍及不同壓力、溫度條件下進(jìn)行O ω、I ω、3 ω諧波測(cè)量；在步驟S204中，利用多次諧波得到工質(zhì)的熱物性，并進(jìn)行自適應(yīng)驗(yàn)證。在本發(fā)明實(shí)施例中，微型探針6的熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率及比熱通過3ω線法進(jìn)行測(cè)量，試樣腔I的內(nèi)部容積利用蒸餾水及乙醇進(jìn)行標(biāo)定。
在本發(fā)明實(shí)施例中，向試樣腔I內(nèi)注入高壓工質(zhì)的實(shí)現(xiàn)方法為
通過單向止回閥8向試樣腔I內(nèi)注入高壓工質(zhì)，借助壓力傳感器10和精密調(diào)節(jié)閥9控制注入量，利用稱重法測(cè)量工質(zhì)注入量；設(shè)定試樣腔I內(nèi)工質(zhì)溫度并保持恒定的實(shí)現(xiàn)方法為通過夾套2內(nèi)壁上的電加熱器設(shè)定試樣腔I內(nèi)工質(zhì)溫度并保持恒定，或在夾套2內(nèi)通過液氮控制試樣腔I內(nèi)工質(zhì)溫度并保持恒定；進(jìn)行O ω諧波測(cè)量的實(shí)現(xiàn)方法為利用交流/直流電源133輸出的直流電加熱微型探針6，控制探針溫升小于IK ；利用高精度數(shù)字萬用表131測(cè)量微型探針6兩端的電壓隨時(shí)間的變化；進(jìn)行I ω、3 ω諧波測(cè)量的實(shí)現(xiàn)方法為利用交流/直流電源133輸出的交流電加熱微型探針6，控制探針溫升小于IK ；調(diào)整鎖相放大器132的動(dòng)態(tài)儲(chǔ)存，利用鎖相放大器132測(cè)量微型探針6兩端的I ω、3 ω諧波隨頻率的變化，改變交流電流頻率，重復(fù)測(cè)量I ω、3 ω諧波隨頻率變化。在本發(fā)明實(shí)施例中，利用多次諧波得到工質(zhì)的熱物性的實(shí)現(xiàn)方法為考慮微型探針6的熱容和端部效應(yīng)對(duì)多次諧波線法測(cè)量工質(zhì)熱物性的原理進(jìn)行改進(jìn)；利用得到的多次諧波隨時(shí)間或頻率的變化曲線進(jìn)行擬合，分別得到跨臨界區(qū)域內(nèi)工質(zhì)的熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率、比熱和PVT關(guān)系；在本發(fā)明實(shí)施例中，進(jìn)行自適應(yīng)驗(yàn)證的實(shí)現(xiàn)方法為將O ω諧波、I ω諧波和3 ω諧波各自獨(dú)立測(cè)量得到的熱物性參數(shù)進(jìn)行相互驗(yàn)證。下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的應(yīng)用原理作進(jìn)一步描述。如圖I所示，①測(cè)試裝置搭建；I)封裝試樣腔I首先進(jìn)行帶夾套2的試樣腔I加工；然后在試樣腔I內(nèi)部布置熱電偶4、壓力傳感器10，在上端蓋3布置探針支架5，采用壓焊工藝連接微型探針6和探針支架5 ;最后對(duì)試樣腔I、單向止回閥8、精密調(diào)節(jié)閥9、導(dǎo)管7、微型探針6進(jìn)行封裝；微型探針6的直徑為1-10 μ m，長(zhǎng)度為l_2mm，材料為鉬或硅+鋁復(fù)合材料或金，微型探針6的電阻為5_10 Ω，電阻溫度系數(shù)小于10PPM ;試樣腔I外部為圓柱狀，內(nèi)部工質(zhì)的體積為10-20ml，試樣腔I外部夾套2的厚度為5-10mm ;夾套2內(nèi)通液氮實(shí)現(xiàn)試樣腔I內(nèi)最低_165°C的低溫環(huán)境，夾套2內(nèi)壁布置電加熱器實(shí)現(xiàn)試樣腔I內(nèi)最高100°C的高溫環(huán)境，試樣腔I底部采用單向止回閥8，從外部注入高壓工質(zhì)，通過程控電阻11和精密調(diào)節(jié)閥9控制試樣腔I內(nèi)部工質(zhì)壓力和高壓工質(zhì)的注入量，使得試樣腔I內(nèi)部工質(zhì)壓力從O. IMPa逐漸升高到16MPa，每次注入量滿足壓力升高不超過O. OlMPa ；2)對(duì)試樣腔I與外部測(cè)量系統(tǒng)13進(jìn)行連接在步驟I)的基礎(chǔ)上通過引線連接外部測(cè)量系統(tǒng)13中的交流/直流電源133、鎖相放大器132、數(shù)字萬用表131和數(shù)據(jù)采集器134 ；3)在步驟I)、2)的基礎(chǔ)上，將外部測(cè)量系統(tǒng)13與計(jì)算機(jī)12連接，將精密調(diào)節(jié)閥9通過程控電阻11與計(jì)算機(jī)12連接。如圖2所示，②對(duì)試樣腔I進(jìn)行標(biāo)定；
首先在步驟①的基礎(chǔ)上將試樣腔I抽真空，測(cè)量微型探針6的電阻溫度系數(shù)，然后利用3ω線法測(cè)量微型探針6的熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率和比熱，最后分別利用蒸餾水和乙醇標(biāo)定試樣腔I內(nèi)部容積。③多次諧波測(cè)量I)工況設(shè)定首先在步驟②的基礎(chǔ)上通過單向止回閥8向試樣腔I內(nèi)注入高壓工質(zhì)，借助壓力傳感器10和精密調(diào)節(jié)閥9控制注入量，然后利用稱重法測(cè)量工質(zhì)注入量，最后通過夾套2內(nèi)壁上的電加熱器設(shè)定試樣腔I內(nèi)工質(zhì)溫度并保持恒定，或在夾套2內(nèi)通過液氮控制試樣腔I內(nèi)工質(zhì)溫度并保持恒定。
2)0ω諧波測(cè)量首先在步驟I)的基礎(chǔ)上利用交流/直流電源133輸出的直流電加熱微型探針6，控制探針溫升小于1Κ，然后利用高精度數(shù)字萬用表131測(cè)量微型探針6兩端的電壓(稱之為Οω諧波)隨時(shí)間的變化。3)1ω、3ω 諧波測(cè)量首先在步驟2)之后，利用交流/直流電源133輸出的交流電加熱微型探針6，控制探針溫升小于1Κ，然后調(diào)整存鎖相放大器132的動(dòng)態(tài)儲(chǔ)，利用鎖相放大器132測(cè)量微型探針6兩端的I ω、3 ω諧波隨頻率的變化，最后改變交流電流的頻率，重復(fù)測(cè)量I ω、3 ω諧波隨頻率的變化；微型探針6分別采用交流/直流電源133輸出的直流和交流信號(hào)加熱，交流/直流電源133輸出的電壓信號(hào)的失真度小于O. 3%。，采用鎖相放大器132直接測(cè)量微型探針6兩端的I ω、3 ω諧波，微型探針6溫升小于IK ；4)重復(fù)步驟I)、2)、3)，在跨臨界壓力范圍內(nèi)測(cè)量不同壓力、溫度條件下的多次諧波。④利用多次諧波得到工質(zhì)的熱物性在步驟②、③之后，考慮微型探針6的熱容和端部效應(yīng)對(duì)多次諧波線法測(cè)量工質(zhì)熱物性的原理進(jìn)行改進(jìn)，利用步驟②、③得到諧波隨時(shí)間或頻率的變化曲線擬合分別得到跨臨界區(qū)域內(nèi)工質(zhì)的熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率、比熱和PVT關(guān)系。⑤自適應(yīng)驗(yàn)證在步驟③和④的基礎(chǔ)上，將O ω諧波、1ω諧波和3 ω諧波各自獨(dú)立測(cè)量得到的熱物性參數(shù)進(jìn)行相互驗(yàn)證，確保臨界附近區(qū)域測(cè)量結(jié)果的合理性。在同一個(gè)測(cè)試系統(tǒng)中同時(shí)具備多次諧波的測(cè)量功能，分別利用Νω諧波，N = 0U、3，考慮微型探針6的熱容和端部效應(yīng)，分別擬合出工質(zhì)的熱導(dǎo)率，熱擴(kuò)散率和比熱；微型探針6的交流加熱頻率范圍為O. 1-ΙΟΟΟΗζ，溫升小于IK ;利用該方法和裝置實(shí)現(xiàn)試樣腔I內(nèi)部工質(zhì)的P、V、T高精度測(cè)量。本發(fā)明實(shí)施例提供的多次諧波測(cè)量工質(zhì)跨臨界熱物性的方法及裝置，微型探針6尺度小，試樣用量少，便于試樣腔I的加熱、深冷、升壓、保溫，具備微尺度熱測(cè)試特征；采用精密調(diào)節(jié)閥9和單向止回閥8，高壓工質(zhì)從外部通過導(dǎo)管7注入，便于實(shí)現(xiàn)工質(zhì)的跨臨界壓力變化，易于實(shí)現(xiàn)跨臨界狀態(tài)；將直流和交流加熱融合在一起，同一裝置具備多次諧波的獨(dú)立測(cè)量功能，易于實(shí)現(xiàn)多次諧波測(cè)量；利用多次諧波分別測(cè)量工質(zhì)的熱物性，不同次諧波的測(cè)量結(jié)果互相驗(yàn)證以保證臨界區(qū)域測(cè)量結(jié)果的合理性，自我驗(yàn)證能力強(qiáng)；利用鎖相放大器132直接測(cè)量微型探針6產(chǎn)生的多次諧波，不采用復(fù)雜的差動(dòng)放大電路，測(cè)試系統(tǒng)簡(jiǎn)單；可適用于C02、天然氣的氣、液、固不同狀態(tài)下的多個(gè)熱物性參數(shù)測(cè)量，通用性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)，具有較強(qiáng)的推廣與應(yīng)用價(jià)值。
以上僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種多次諧波測(cè)量エ質(zhì)跨臨界熱物性的裝置，其特征在于，該裝置包括試樣腔、夾套、上端蓋、熱電偶、探針支架、微型探針、導(dǎo)管、單向止回閥、精密調(diào)節(jié)閥、壓カ傳感器、程控電阻、計(jì)算機(jī)、外部測(cè)量系統(tǒng)； 所述試樣腔的圓周上設(shè)置有所述夾套，所述試樣腔的上部設(shè)置有所述上端蓋，所述上端蓋上安裝有所述熱電偶及探針支架，所述探針支架上安裝有所述微型探針； 所述試樣腔的下部安裝有所述壓カ傳感器及導(dǎo)管，所述導(dǎo)管上安裝有所述單向止回閥及精密調(diào)節(jié)閥，所述精密調(diào)節(jié)閥通過所述程控電阻與所述計(jì)算機(jī)相連接，所述計(jì)算機(jī)與所述外部測(cè)量系統(tǒng)相連接。
2.如權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，所述外部測(cè)量系統(tǒng)包括數(shù)字萬用表、鎖相放大器、交流/直流電源、數(shù)據(jù)采集器； 所述數(shù)字萬用表、鎖相放大器及交流/直流電源分別與所述數(shù)據(jù)采集器相連接，所述數(shù)據(jù)采集器與所述計(jì)算機(jī)相連接，所述交流/直流電源通過引線與所述微型探針相連接。
3.如權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在干，所述微型探針的直徑為1-10μ m，長(zhǎng)度為1-2_，由鉬或硅+鋁復(fù)合材料或金制成，微型探針的電阻為5-10 Ω，微型探針的電阻溫度系數(shù)小于10PPM。
4.如權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，所述試樣腔的外部為圓柱狀，內(nèi)部エ質(zhì)的體積為10-20ml，所述試樣腔的外部夾套層的厚度為5-10mm。
5.如權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，所述夾套內(nèi)通液氮實(shí)現(xiàn)試樣腔內(nèi)最低_165°C的低溫環(huán)境，所述夾套內(nèi)壁布置電加熱器實(shí)現(xiàn)試樣腔內(nèi)最高100°C的高溫環(huán)境。
6.一種多次諧波測(cè)量エ質(zhì)跨臨界熱物性的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟 在步驟一中，將試樣腔抽成真空，測(cè)量微型探針的電阻溫度系數(shù)、熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率及比熱，并標(biāo)定試樣腔的內(nèi)部容積； 在步驟ニ中，向試樣腔內(nèi)注入高壓エ質(zhì)，設(shè)定試樣腔內(nèi)エ質(zhì)溫度并保持恒定，并進(jìn)行O ω、I ω、3 ω諧波測(cè)量； 在步驟三中，重復(fù)步驟一、步驟ニ，在跨臨界壓力范圍及不同壓力、溫度條件下進(jìn)行O ω、I ω、3 ω諧波測(cè)量； 在步驟四中，利用多次諧波得到エ質(zhì)的熱物性，并進(jìn)行自適應(yīng)驗(yàn)證。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述微型探針的熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率及比熱通過3ω線法進(jìn)行測(cè)量，所述試樣腔的內(nèi)部容積利用蒸餾水及こ醇進(jìn)行標(biāo)定。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述向試樣腔內(nèi)注入高壓エ質(zhì)的實(shí)現(xiàn)方法為 通過單向止回閥向試樣腔內(nèi)注入高壓エ質(zhì)，借助壓カ傳感器和精密調(diào)節(jié)閥控制注入量，利用稱重法測(cè)量エ質(zhì)注入量； 所述設(shè)定試樣腔內(nèi)エ質(zhì)溫度并保持恒定的實(shí)現(xiàn)方法為通過夾套內(nèi)壁上的電加熱器設(shè)定試樣腔內(nèi)エ質(zhì)溫度并保持恒定，或在夾套內(nèi)通過液氮控制試樣腔內(nèi)エ質(zhì)溫度并保持恒定; 所述進(jìn)行Oω諧波測(cè)量的實(shí)現(xiàn)方法為利用交流/直流電源輸出的直流電加熱微型探針，控制探針溫升小于IK ; 利用高精度數(shù)字萬用表測(cè)量微型探針兩端的電壓隨時(shí)間的變化；所述進(jìn)行1ω、3ω諧波測(cè)量的實(shí)現(xiàn)方法為利用交流/直流電源輸出的交流電加熱微型探針，控制探針溫升小于IK ； 調(diào)整鎖相放大器的動(dòng)態(tài)儲(chǔ)存，利用鎖相放大器測(cè)量微型探針兩端的I ω、3ω諧波隨頻率的變化，改變交流電流頻率，重復(fù)測(cè)量I ω、3 ω諧波隨頻率變化。
9.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述利用多次諧波得到エ質(zhì)的熱物性的實(shí)現(xiàn)方法為 考慮微型探針的熱容和端部效應(yīng)對(duì)多次諧波線法測(cè)量エ質(zhì)熱物性的原理進(jìn)行改迸；利用得到的多次諧波隨時(shí)間或頻率的變化曲線進(jìn)行擬合，分別得到跨臨界區(qū)域內(nèi)エ質(zhì)的熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率、比熱和PVT關(guān)系；
10.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述進(jìn)行自適應(yīng)驗(yàn)證的實(shí)現(xiàn)方法為將0ω諧波、1ω諧波和3ω諧波各自獨(dú)立測(cè)量得到的熱物性參數(shù)進(jìn)行相互驗(yàn)證。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多次諧波測(cè)量工質(zhì)跨臨界熱物性的方法及裝置，微型探針尺度小，溫升小，試樣用量少，便于試樣腔的加熱、深冷、升壓、保溫以及微型探針微尺度下減弱了氣態(tài)和液態(tài)工質(zhì)自然對(duì)流，具備微尺度熱測(cè)試特征；采用精密調(diào)節(jié)閥和單向止回閥，高壓工質(zhì)從外部通過導(dǎo)管注入，便于實(shí)現(xiàn)工質(zhì)的跨臨界壓力變化及跨臨界狀態(tài)；直流及交流加熱融合使得同一裝置具備多次諧波的獨(dú)立測(cè)量功能，易于實(shí)現(xiàn)多次諧波測(cè)量；不同次諧波的測(cè)量結(jié)果可互相驗(yàn)證，保證了臨界區(qū)域測(cè)量結(jié)果的合理性，自我驗(yàn)證能力強(qiáng)；利用鎖相放大器直接測(cè)量微型探針產(chǎn)生的多次諧波，測(cè)試系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠，可適用于CO2、天然氣不同狀態(tài)下的多個(gè)熱物性參數(shù)測(cè)量，具有較強(qiáng)的推廣與應(yīng)用價(jià)值。
文檔編號(hào)G01N25/20GK102661968SQ20121012717
公開日2012年9月12日 申請(qǐng)日期2012年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月27日
發(fā)明者王照亮 申請(qǐng)人:中國(guó)石油大學(xué)(華東)