CN115165961A - 一种气体定压比热容测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及测量技术领域，公开了一种气体定压比热容测量装置及其测量方法，该装置包括：气体管线；包裹在气体管线外壁的伴热系统；在气体管线上按气体流向依次串联有第一压力调节器、热式流量计、科里奥利流量计和第二压力调节器。上述装置在气体管线上前后串联有热式流量计和科里奥利流量计，在伴热系统和压力调节器进行温度与压力的控制下，通过上述两种流量计的联合可精确测量气体定压比热容，尤其是对于成分或组成未知的气体混合物的定压比热容测量，具有测量结果精准、成本低、快速方便的优点。

Description

一种气体定压比热容测量装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及测量技术领域，特别是涉及一种气体定压比热容测量装置及其测量方法。

背景技术

物质比热容不仅是描述物质热力学性质的一个重要参数，而且是与物质结构密切相关的特征数据，它对科学研究、工程计算以及热力分析方面均有重要的意义，是物质的基础物性参数、进行相关计算的必需数据，因此物质比热容测量是热力学基本测量之一。由于工程中定压比热容应用最广，实验中也容易做到定压过程，所以流体比热容一般测量的是定压比热容。

目前，对于气体纯净物和部分成分简单、组成已知的气体混合物，其比热容值可参考文献，如物性手册、NIST Chemistry WebBook等，以及Aspen plus的物性分析数据；对于成分复杂、组成已知的气体混合物，或文献未予报道的气体的定压比热容，其比热容值仅能参考Aspen plus的物性分析数据。但对于以上所有情况，其精确的比热容值都只能依靠实验测量获得，尤其是对于成分或组成未知的气体混合物的比热容，其数值无法获得参考、只能依靠实验测量获得。

比热容的测量原理与热力学中比热容定义相同，即通过量热器测量单位质量物质改变单位温度时吸收或放出的热量。商品化的CALVET(卡尔维)3D比热传感器是基于精心设计的微量热仪，对于物质比热容测量可实现非常高的灵敏度和精度，但其只适用于液体和固体的比热容测量，不适用于气体比热容测量。

因此，如何准确测量气体定压比热容，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种气体定压比热容测量装置及其测量方法，可以精确测量气体定压比热容。其具体方案如下：

一种气体定压比热容测量装置，包括：

气体管线；

包裹在所述气体管线外壁的伴热系统；

在所述气体管线上按气体流向依次串联有第一压力调节器、热式流量计、科里奥利流量计和第二压力调节器。

优选地，在本发明实施例提供的上述气体定压比热容测量装置中，所述热式流量计包括：

与所述气体管线连接的检测管；

位于所述检测管内部两端的第一温度传感器和第二温度传感器；

位于所述检测管内部中间位置的加热器；

分别与所述第一温度传感器和所述第二温度传感器连接的温差检测器；

与所述温差检测器连接的流量变送器。

优选地，在本发明实施例提供的上述气体定压比热容测量装置中，所述科里奥利流量计包括流量测量组件和密度测量组件。

优选地，在本发明实施例提供的上述气体定压比热容测量装置中，所述科里奥利流量计为U型振动管式科里奥利流量计。

优选地，在本发明实施例提供的上述气体定压比热容测量装置中，所述热式流量计的响应时间小于0.1秒，流量检测下限在50毫克/时；

所述科里奥利流量计的响应时间小于0.1秒，流量检测下限在50毫克/时，密度检测下限在0.3kg·m^-3。

优选地，在本发明实施例提供的上述气体定压比热容测量装置中，所述伴热系统为通过伴热媒体与管道内进行直接或间接热交换的系统。

本发明实施例还提供了一种本发明实施例提供的上述气体定压比热容测量装置的测量方法，包括：

采用伴热系统对气体管线进行温度控制，同时采用第一压力调节器和第二压力调节器对所述气体管线进行压力控制；

当所述气体管线内被测气体温度和压力处于测量状态时，控制所述被测气体进入所述热式流量计和所述科里奥利流量计，并记录所述热式流量计和所述科里奥利流量计的体积流量读数；

当所述气体管线内被测气体温度和压力处于标准状态时，控制所述被测气体进入所述热式流量计和所述科里奥利流量计，并记录所述科里奥利流量计的密度流量读数；

根据记录的所述热式流量计和所述科里奥利流量计的体积流量读数、以及所述科里奥利流量计的密度流量读数，确定所述被测气体在测量状态下的定压比热容。

优选地，在本发明实施例提供的上述气体定压比热容测量装置的测量方法中，采用下述公式确定所述被测气体在测量状态下的定压比热容：

其中，T为所述被测气体处于测量状态时的温度，P为所述被测气体处于测量状态下的压力；T₀为所述被测气体处于标准状态时的温度，P₀为所述被测气体处于标准状态下的压力；c_p为所述被测气体在测量状态(T，P)下的定压比热容；

为所述热式流量计以标定气体在(T₀，P₀)下为基准的标准体积流量读数；Q_C为所述科里奥利流量计的体积流量读数；C_M为标定气体在测量状态(T，P)下的摩尔定压热容；V_m为气体标准状态(T₀，P₀)下的摩尔体积；

为所述科里奥利流量计的密度读数。

优选地，在本发明实施例提供的上述气体定压比热容测量装置的测量方法中，所述标定气体在测量状态(T，P)下的摩尔定压热容是通过Aspen Plus的纯组分物性分析获得的。

优选地，在本发明实施例提供的上述气体定压比热容测量装置的测量方法中，所述热式流量计的响应时间小于0.1秒，流量检测下限在50毫克/时；

所述科里奥利流量计的响应时间小于0.1秒，流量检测下限在50毫克/时，密度检测下限在0.3kg·m^-3。

从上述技术方案可以看出，本发明所提供的一种气体定压比热容测量装置，包括：气体管线；包裹在气体管线外壁的伴热系统；在气体管线上按气体流向依次串联有第一压力调节器、热式流量计、科里奥利流量计和第二压力调节器。

本发明提供的上述气体定压比热容测量装置，在气体管线上前后串联有热式流量计和科里奥利流量计，在伴热系统和压力调节器进行温度与压力的控制下，通过上述两种流量计的联合可精确测量气体定压比热容，尤其是对于成分或组成未知的气体混合物的定压比热容测量，具有测量结果精准、成本低、快速方便的优点。

此外，本发明还针对气体定压比热容测量装置提供了相应的测量方法，进一步使得上述装置更具有实用性，该测量方法具有相应的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的气体定压比热容测量装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的热式流量计的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的科里奥利流量计的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的气体定压比热容测量装置的测量方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种气体定压比热容测量装置，如图1所示，包括：

气体管线1；

包裹在气体管线1外壁的伴热系统2；

在气体管线1上按气体流向依次串联有第一压力调节器3、热式流量计4、科里奥利流量计5和第二压力调节器6。

在本发明实施例提供的上述气体定压比热容测量装置中，在气体管线1上前后串联有热式流量计4和科里奥利流量计5，在伴热系统2、第一压力调节器3和第二压力调节器6进行温度与压力的控制下，通过上述两种流量计的联合可精确测量气体定压比热容，尤其是对于成分或组成未知的气体混合物的定压比热容测量，具有测量结果精准、成本低、快速方便的优点。

进一步地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述气体定压比热容测量装置中，热式流量计4为具有流量测量组件的设备，如图1和图2所示，热式流量计4可以包括：

与气体管线1连接的检测管41；气体管线1内的待测气体A可从检测管41输入输出；

位于检测管41内部两端的第一温度传感器42和第二温度传感器43；

位于检测管41内部中间位置的加热器44；

分别与第一温度传感器42和第二温度传感器43连接的温差检测器45；

与温差检测器45连接的流量变送器46。

本发明的热式流量计4具有很短的响应时间、很高的精度。具体地，热式流量计4的响应时间小于0.1秒，流量测量误差小于±0.15％，流量检测下限在50毫克/时。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述气体定压比热容测量装置中，科里奥利流量计5包括流量测量组件和密度测量组件。科里奥利流量计5的流量、密度测量原理为：所有的科里奥利流量计5都是利用流体在振动管中流动时，将产生与质量流量成正比的科里奥利力的原理测量的，实现真正意义上的高精度直接式质量流量测量。较佳地，如图3所示，科里奥利流量计5可以选用U型振动管式科里奥利流量计。

图3示出了U型振动管式科里奥利流量计的流量、密度测量和流量控制原理示意图，其中51为U型流量测量管、52为电磁传感器、53为电磁检测器、54为流量变送器、55为驱动器、56为流体力。在U型振动管式科里奥利流量计中，被驱动的测量管51以正弦波的方式上下振动，电磁传感器52可以输出一个代表测量管51正弦运动的信号。待测气体A通过测量管51时，产生的科里奥利力使测量管51中点前后两半段以相反的方向变形，这就在两个传感器52之间产生了一个时间差Δt(正弦运动信号相位差)，当质量流量增大时，测量管51变形的程度就增大，两个传感器52的时间差就增大。

本发明的科里奥利流量计5具有很短的响应时间、很高的精度。具体地，科里奥利流量计5的响应时间小于0.1秒，流量测量误差小于±0.15％，流量检测下限在50毫克/时，密度测量误差小于±0.1％，密度检测下限在0.3kg·m^-3。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述气体定压比热容测量装置中，伴热系统2为通过伴热媒体与管道内进行直接或间接热交换的系统。第一压力调节器3为具有器后压力调节组件的设备。第二压力调节器6为具有器前压力调节组件的设备。在本发明中，伴热系统2对气体管线1进行温度控制，同时热式流量计4前的第一压力调节器3与科里奥利流量计5后的第二压力调节器6配合使用，确保气体管线1内气体温度、压力维持恒定在设定值。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种气体定压比热容测量装置的测量方法，由于该测量方法解决问题的原理与前述一种气体定压比热容测量装置相似，因此该测量方法的实施可以参见气体定压比热容测量装置的实施，气体定压比热容测量装置的实施也可以参见该测量方法的实施，重复之处不再赘述。

在具体实施时，本发明实施例提供的气体定压比热容测量装置的测量方法，如图4所示，具体包括以下步骤：

S401、采用伴热系统对气体管线进行温度控制，同时采用第一压力调节器和第二压力调节器对气体管线进行压力控制；

S402、当气体管线内被测气体温度和压力处于测量状态时，控制被测气体进入热式流量计和科里奥利流量计，并记录热式流量计和科里奥利流量计的体积流量读数；

S403、当气体管线内被测气体温度和压力处于标准状态时，控制被测气体进入热式流量计和科里奥利流量计，并记录科里奥利流量计的密度流量读数；

S404、根据记录的热式流量计和科里奥利流量计的体积流量读数、以及科里奥利流量计的密度流量读数，确定被测气体在测量状态下的定压比热容。

在本发明实施例提供的上述气体定压比热容测量装置的测量方法中，可以通过执行上述步骤S401至S404，精确测量气体定压比热容，尤其是对于成分或组成未知的气体混合物的定压比热容测量，具有测量结果精准、成本低、快速方便的优点。

在实际应用中，标准状态可以是温度为273.15K，压力为101.325kPa的状态。

进一步地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述气体定压比热容测量装置的测量方法中，在执行步骤S404时，采用下述公式确定被测气体在测量状态下的定压比热容：

其中，T为被测气体处于测量状态时的温度，P为被测气体处于测量状态下的压力；T₀为被测气体处于标准状态时的温度，P₀为被测气体处于标准状态下的压力；c_p为被测气体在测量状态(T，P)下的定压比热容，单位为J·K^-1·kg^-1；

为步骤S402下，热式流量计以标定气体在(T₀，P₀)下为基准的标准体积流量读数；Q_C为步骤S402下，科里奥利流量计的体积流量读数；C_M为标定气体在测量状态(T，P)下的摩尔定压热容，单位为J·K^-1·mol^-1，其值可以通过Aspen Plus的纯组分物性分析(Properties-Analysis-Pure Analysis)获得的；V_m为气体标准状态(T₀，P₀)下的摩尔体积，其值为22.4141L·mol^-1；

为步骤S403下，科里奥利流量计的密度读数，单位为g·L^-1。

具体地，以图2为例，热式流量计的测量原理为：流体(如被测气体A)通过一段恒功率加热的高温流道(如检测管41)时，将在流道上游和下游检测器间产生温度差，流体的热容和流速乘积与流道两端的温差之间存在线性关系，即：

ΔT＝T₂-T₁＝A·P·c_p·Q_m (2)

其中，ΔT是高温流道两端的温度差；c_p是气体的定压比热容；P是流道的加热功率；A是比例常数；Q_m是流体的质量流量。

当被测气体不是流量计的标定气体，且，伴热系统和压力调节器对气体管线进行温度与压力控制，管线内被测气体温度、压力处于测量状态(T，P)时，热式流量计存在如下的流量转换关系：

其中，(T₀，P₀)是气体的标准状态，本发明选择的标准状态是(273.15K，101.325kPa)；

是被测气体在(T₀，P₀)下的真实标准体积流量；

是热式流量计以标定气体在(T₀，P₀)下为基准的标准体积流量读数；C是被测气体在测量状态(T，P)下的摩尔定压热容，C_M是标定气体在测量状态(T，P)下的摩尔定压热容。

以图3为例，在U型振动管式科里奥利流量计中，质量流量由下式决定：

Q_m＝k·Δt (4)

其中，Q_m为质量流量，k为流量标定系数，Δt为时间差，这样就实现了质量流量的直接测量。而质量是一个恒量，它不受温度、压力、粘度、比热容等因素的影响，所以测得的质量流量为气体真实质量流量，不用进行温度和压力的修正，是真正意义上的高精度质量流量测量。同时，测量管以固有频率振动，流体密度的变化，将引起流体的质量流量变化，检测器输出的信号频率也发生变化，通过测量检测器的信号频率就可以决定流体的密度ρ，这样就得到了流体的体积流量Q_V。综上，有：

Q_C＝Q_V(T,P) (5)

其中，Q_C是科里奥利流量计的体积流量读数，Q_V(T,P)是被测气体在测量状态(T，P)条件下的真实体积流量。

在温度不太低(不低于零下几十摄氏度)，压强不太大(不超过大气压强的几倍)时，各种气体及其混合物都可以近似地视作理想气体，故有：

由式(3)和(6)，可得被测气体在测量状态(T，P)下的摩尔定压热容C，单位为J·K^-1·mol^-1：

其中，

是热式流量计与科里奥利流量计的体积流量读数之比，C_M是热式流量计标定气体在测量状态(T，P)下的摩尔定压热容，其值可通过Aspen Plus的纯组分物性分析(Properties-Analysis-Pure Analysis)获得。

当伴热系统和压力调节器对气体管线进行温度与压力控制，管线内被测气体温度、压力处于标准状态(T₀，P₀)时，科里奥利流量计测得被测气体(T₀，P₀)下的密度

被测气体的摩尔质量有：

其中，M是被测气体的摩尔质量，单位为g·mol^-1；V_m是气体标准状态(T₀，P₀)下的摩尔体积，其值是22.4141L·mol^-1。由此，被测气体在测量状态(T，P)下的定压比热容有：

其中，c_p是被测气体在测量状态(T，P)下的定压比热容。综上，由热式流量计与科里奥利流量计的体积流量读数之比

热式流量计标定气体在测量状态(T，P)下的摩尔定压热容C_M、科里奥利流量计测得的被测气体在标准状态(T₀，P₀)下的密度

即可计算出被测气体在测量状态(T，P)下的定压比热容c_p。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述气体定压比热容测量装置中的测量方法，热式流量计的响应时间小于0.1秒，流量检测下限在50毫克/时；科里奥利流量计的响应时间小于0.1秒，流量检测下限在50毫克/时，密度检测下限在0.3kg·m^-3。

下面以乙烯(其定压比热容已知)定压比热容的测量为例，对本发明实施例提供的上述气体定压比热容测量装置的测量结果进行说明，具体步骤如下：

步骤一、乙烯以恒定流速经过本发明的气体定压比热容测量装置，通过伴热系统、第一压力调节器和第二压力调节器对气体管线进行温度与压力控制，管线内气体处于60℃、1.5bar，热式流量计体积流量读数123.02SLPH(标准升每小时)，科里奥利流量计体积流量读数63.66L·h^-1；

步骤二、乙烯以恒定流速经过本发明的气体定压比热容测量装置，通过伴热系统、第一压力调节器和第二压力调节器对气体管线进行温度与压力控制，管线内气体处于0℃、101.325kPa，科里奥利流量计密度读数1.252g·L^-1；

步骤三、由Aspen PlusV11采用NRTL物性方法、通过纯组分物性分析获得热式流量计标定气体(本发明中热式流量计的标定气体是氮气)在60℃、1.5bar下的摩尔定压热容29.1509J·K^-1·mol^-1，最终通过式(1)计算出乙烯在60℃、1.5bar下的定压比热容1653.86J·K^-1·kg^-1。

步骤四、由Aspen PlusV11采用NRTL物性方法、通过纯组分物性分析获得乙烯在60℃、1.5bar下的定压比热容1655.71J·K^-1·kg^-1。

步骤五、计算乙烯定压比热容的测量相对偏差(相对偏差＝(本发明方法测量值-Aspen Plus分析值)/Aspen Plus分析值)，结果为-0.11％，说明本发明方法测量气体定压比热容的高精度。

关于上述各个步骤更加具体的工作过程可以参考前述实施例公开的相应内容，在此不再进行赘述。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的方法而言，由于其与实施例公开的装置相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见装置部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

综上，本发明实施例提供的一种气体定压比热容测量装置，包括：气体管线；包裹在气体管线外壁的伴热系统；在气体管线上按气体流向依次串联有第一压力调节器、热式流量计、科里奥利流量计和第二压力调节器。上述气体定压比热容测量装置中，在气体管线上前后串联有热式流量计和科里奥利流量计，在伴热系统和压力调节器进行温度与压力的控制下，通过上述两种流量计的联合可精确测量气体定压比热容，尤其是对于成分或组成未知的气体混合物的定压比热容测量，具有测量结果精准、成本低、快速方便的优点。此外，本发明还针对气体定压比热容测量装置提供了相应的测量方法，进一步使得上述装置更具有实用性，该测量方法具有相应的优点。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的气体定压比热容测量装置及其测量方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种气体定压比热容测量装置，其特征在于，包括：

气体管线；

包裹在所述气体管线外壁的伴热系统；

在所述气体管线上按气体流向依次串联有第一压力调节器、热式流量计、科里奥利流量计和第二压力调节器。

2.根据权利要求1所述的气体定压比热容测量装置，其特征在于，所述热式流量计包括：

与所述气体管线连接的检测管；

位于所述检测管内部两端的第一温度传感器和第二温度传感器；

位于所述检测管内部中间位置的加热器；

分别与所述第一温度传感器和所述第二温度传感器连接的温差检测器；

与所述温差检测器连接的流量变送器。

3.根据权利要求2所述的气体定压比热容测量装置，其特征在于，所述科里奥利流量计包括流量测量组件和密度测量组件。

4.根据权利要求3所述的气体定压比热容测量装置，其特征在于，所述科里奥利流量计为U型振动管式科里奥利流量计。

5.根据权利要求4所述的气体定压比热容测量装置，其特征在于，所述热式流量计的响应时间小于0.1秒，流量检测下限在50毫克/时；

所述科里奥利流量计的响应时间小于0.1秒，流量检测下限在50毫克/时，密度检测下限在0.3kg·m^-3。

6.根据权利要求1所述的气体定压比热容测量装置，其特征在于，所述伴热系统为通过伴热媒体与管道内进行直接或间接热交换的系统。

7.一种如权利要求1至6任一项所述气体定压比热容测量装置的测量方法，其特征在于，包括：

采用伴热系统对气体管线进行温度控制，同时采用第一压力调节器和第二压力调节器对所述气体管线进行压力控制；

当所述气体管线内被测气体温度和压力处于测量状态时，控制所述被测气体进入所述热式流量计和所述科里奥利流量计，并记录所述热式流量计和所述科里奥利流量计的体积流量读数；

当所述气体管线内被测气体温度和压力处于标准状态时，控制所述被测气体进入所述热式流量计和所述科里奥利流量计，并记录所述科里奥利流量计的密度流量读数；

根据记录的所述热式流量计和所述科里奥利流量计的体积流量读数、以及所述科里奥利流量计的密度流量读数，确定所述被测气体在测量状态下的定压比热容。

8.根据权利要求7所述的气体定压比热容测量装置的测量方法，其特征在于，采用下述公式确定所述被测气体在测量状态下的定压比热容：

其中，T为所述被测气体处于测量状态时的温度，P为所述被测气体处于测量状态下的压力；T₀为所述被测气体处于标准状态时的温度，P₀为所述被测气体处于标准状态下的压力；c_p为所述被测气体在测量状态(T，P)下的定压比热容；

为所述热式流量计以标定气体在(T₀，P₀)下为基准的标准体积流量读数；Q_C为所述科里奥利流量计的体积流量读数；C_M为标定气体在测量状态(T，P)下的摩尔定压热容；V_m为气体标准状态(T₀，P₀)下的摩尔体积；

为所述科里奥利流量计的密度读数。

9.根据权利要求8所述的气体定压比热容测量装置的测量方法，其特征在于，所述标定气体在测量状态(T，P)下的摩尔定压热容是通过Aspen Plus的纯组分物性分析获得的。

10.根据权利要求9所述的气体定压比热容测量装置的测量方法，其特征在于，所述热式流量计的响应时间小于0.1秒，流量检测下限在50毫克/时；

所述科里奥利流量计的响应时间小于0.1秒，流量检测下限在50毫克/时，密度检测下限在0.3kg·m^-3。

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