高精度单浮子磁悬浮密度测量系统研制 李会亚

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1、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：111219高精度单浮子磁悬浮密度测量系统研制基金项目：国家自然科学基金项目（No.50890183）；中国科学院重大科研项目（No.YZ200739）。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：010-82543732，E-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

2、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，

3、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

4、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,p）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MagneticSuspensionBalance(MSB)主要包括三部分：浮子、磁悬浮耦合机构（MagneticSuspensionCoupling—MSC）和分析天平。该密度测量核心部分由德国RubothermPräzisionsmesstechnikGmbH研制，下面对其原

5、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Si，ms≈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。DEUTSCHERKALIBRIERDIENST(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

6、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ZeroPosition(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MeasuringPosition(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SartoriusCC111比较天平，分辨

7、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

8、内壁上的吸附作用等，但是不能消除气体在浮子上的吸附作用，该吸附作用只有在被测流体密度很小的时候影响比较大[4]。1.2密度测量系统图2单浮子密度测量系统流程1.真空罩2.测量腔3.25-Ω铂电阻温度计4.分析天平5.温度压力采集系统6.饱和压力PID控制器7.载冷剂气瓶8.被