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JP2744977B2 - 材料における圧力−容積−温度特性の同時測定法 - Google Patents

材料における圧力−容積−温度特性の同時測定法

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JP2744977B2
JP2744977B2 JP5339518A JP33951893A JP2744977B2 JP 2744977 B2 JP2744977 B2 JP 2744977B2 JP 5339518 A JP5339518 A JP 5339518A JP 33951893 A JP33951893 A JP 33951893A JP 2744977 B2 JP2744977 B2 JP 2744977B2
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JP
Japan
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pressure
volume
sample
temperature
measuring
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JP5339518A
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JPH07167768A (ja
Inventor
谷 和 民 三
Original Assignee
株式会社スリーデイコンポリサーチ
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Publication date
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  • Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、材料における圧力
(P)、比容積(V)、温度(T)の間の特性(以下、
PVT特性という。)を測定するための方法に関するも
のであり、さらに具体的には、材料の比容積、圧縮率、
熱膨張率を同時測定する方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来から知られているPVT特性の測定
方法では、安定状態でのPVT特性は求めることができ
たが、例えば、化学反応あるいは相変化が進行中である
ような非平衡状態にある材料のPVT特性を求めること
はできなかった。
【0003】これをさらに具体的に説明すると、従来の
直接法により材料のPVT特性を測定する場合には、圧
力容器として構成されるシリンダ内にサンプルを収容し
てピストンにより加圧し、ピストンの断面積Aと、ピス
トン位置から求めた圧力容器内有効長Lから、サンプル
体積V=A×Lが求められる。また、従来の間接法によ
る場合には、ベローズを有するサンプルセル内にサンプ
ルを封入して、それを加圧流体が圧入される圧力容器内
に置き、ベローズに取付けたロッドの先端に差動トラン
スのコアを連結して、加圧容器内を流体圧力により加圧
し、ベローズの有効断面積Aと、コアの位置から求めた
ベローズの有効長Lから、サンプル体積V=A×Lが求
められる。
【0004】このような従来のPVT特性の測定法は、
温度、圧力を一定に保持した状態での平衡体積を求める
ことを目的としており、圧縮率を求める場合は、温度を
一定に保持し、圧力を段階的に変化させ、それぞれの圧
力レベルでの平衡体積を求める方法が用いられ、熱膨張
率を求める場合は、圧力を一定に保持し、温度を徐々に
変化させて体積変化を求める方法が用いられる。そし
て、いずれの方法を用いるにしても、一連の測定を行う
のに時間がかかり、化学反応や相変化が進行中の非平衡
状態での圧縮率、熱膨張率を求めることは不可能であっ
た。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明の技術的課題
は、一般的なPVT特性の測定装置を用いて、比容積を
求め得ると同時に、簡易な手段により、圧縮率、熱膨張
率をも同時に求めることができ、それによって、従来の
方法では求めることが不可能であった非平衡状態におけ
る圧縮率、熱膨張率をも求め得るようにしたPVT特性
の測定方法を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明の測定法は、サンプルを容器に収容し、所期の
温度及び圧力における容器の内容積の変化から材料の圧
力−容積−温度特性を測定するに際し、サンプルに作用
させる圧力を振動させながら、比容積、圧縮率、熱膨張
率を求めるための容器内容積の変化及び容器内温度の変
化を測定することを特徴とするものである。上記サンプ
ルに作用させる圧力の波形は、方形波あるいは正弦波と
することができる。
【0007】
【作用】サンプルを容器に収容し、そのサンプルに圧力
を作用させるに際し、その圧力を振動させると、圧力変
化に伴って容器内容積及び容器内温度が変化する。これ
らの容器内容積及び容器内温度の変化を測定すると、そ
の測定結果に基づいて比容積、圧縮率、熱膨張率を求め
ることができる。従って、従来から用いられている一般
的なPVT特性の測定装置を用いて、比容積を求め得る
と同時に、簡易な手段により、圧縮率、熱膨張率をも同
時に求めることが可能になり、非平衡状態における圧縮
率、熱膨張率をも求めることが可能になる。
【0008】
【実施例1】図1は、本発明による圧力−容積−温度特
性の同時測定に用いるのに好適な間接法によるPVT特
性の測定装置を示している。この測定装置は、所期の温
度条件、圧力条件下における容器内容積の変化から材料
のPVT特性を測定可能にしたもので、圧力容器1内
に、測定対象のサンプルと水銀等の圧縮率の既知の液体
を封入するための容器として、サンプルセル2を備えて
いる。上記圧力容器1は、その圧力導入口3にサンプル
セル2内外を加圧状態に保持すると同時に、その圧力に
振動を与えられるようにしたプランジャーポンプ4を接
続し、圧力センサで検出した圧力をそのプランジャーポ
ンプ4にフィードバックして圧力制御可能とし、また、
圧力容器1の周囲にはその内部の温度条件を制御するた
めの加熱装置5を配設している。
【0009】上記サンプルセル2は、内部にカプセル2
0を収容可能にした筒状体6の上端を蓋体8により閉鎖
すると共に、下端をベローズ9により閉鎖し、ベローズ
9の可動部に連結したロッド10を下方に導出して、そ
のロッド10の先端を圧力容器1の下部に取り付けた差
動トランス11のコア12に連結したもので、サンプル
セル2の内容積の変化が上記ベローズ9の伸縮によりコ
ア12の変位として測定される。
【0010】また、上記圧力容器1の内部温度を検出す
るため、圧力容器1の上部から挿入した熱電対15をサ
ンプルセル2の上部蓋体8の中心に立設したパイプ13
にて誘導し、その先端を蓋体8内の上部パッキン14に
接触させるように構成している。なお、サンプルセル2
の圧力・温度及び差動トランスのコアの変位は、それぞ
れ記録計で記録するとともにコンピュータに取り込んで
解析するように構成される。
【0011】測定対象のサンプルを収容するためのサン
プル用カプセル20は、カップ部とキャップ部からな
り、これらを薄肉金属により形成している。このカプセ
ル20は、キャップ部をカップ部に対して隙間を介在さ
せて被着し、カプセル内外の連通路を確保している。
【0012】上記構成を有するPVT特性測定装置にお
いては、PVT特性の測定に際し、まず、液状サンプル
25をカプセル20に入れて秤量し、次に、サンプルセ
ル2の上部蓋体8を外してカプセル20をサンプルセル
に装填し、蓋体8の中心に開けた水銀の注入口を残して
他をシールし、水銀の注入によりサンプルセル2内を満
たす。このとき、水銀による浮力によりサンプル25は
上方へと浮上するが、カプセル20から流出することは
なく、カプセル20におけるキャップ部の内部に留ま
る。
【0013】このサンプルセル2は、蓋体8の水銀注入
口を上部パッキン14でシールし、パイプ13を立設す
ると共に熱電対15を上部パッキン14上にセットした
うえで、PVT測定装置にセットし、加熱装置5で制御
された所期の温度に加熱すると共に、プランジャーポン
プ4でサンプルセル2の内外を所期の圧力まで加圧す
る。サンプルの圧力−容積−温度特性を測定するに際し
ては、プランジャーポンプ4でサンプルセル2に作用さ
せる圧力を振動させる。
【0014】いま、サンプルセル2内の圧力Pを時間t
の関数として、 P(t)=P+Asinωt で与えると、サンプルセル2の内容積の変化は、ベロー
ズ9の伸縮量として、ベローズに取付けたロッド10を
介して差動トランス11のコア12の上下変位により検
出され、サンプルセル2の有効長Lは、 L(t)=L(t)+A(t)sin(ωt+θ) の形とみなすことができる信号として検出される。ま
た、サンプルセル2の温度Tは、 T(t)=T(t)+A(t)sin(ωt+ψ) の形とみなすことができる信号として検出される。この
L(t)及びT(t)の関数型は、圧力を上記P(t)
で与えたとき、必然的にそれらのL(t)及びT(t)
に2π/ωの周期をもつ変化が現れるので、その変化に
伴う振動成分と非振動成分の和として与えられ、そのた
め上記振動成分をフーリエ級数で表現して2次以上の高
次の項を無視したものとして、上式のように表すことが
できる。また、上記位相差φは、前記圧力P(t)を作
用させた熱力学系(測定試料)とその外周系(高圧容
器)との間に生じる熱伝導に帰するものである。
【0015】なお、上式において、AP ,AL(t),A
T(t)は、それぞれ圧力P、セル有効長さL、温度Tの振
幅であり、P0 ,L0(t),T0(t)は、それぞれ圧力P、
セル有効長さL、温度Tの振動中心である。また、ωは
振動の角速度、θ,φはセル有効長さL及び温度Tの振
動位相の圧力振動に対する前進量である。
【0016】このようにして時間的に変化するサンプル
セル2の有効長さL(t)及びセル温度T(t)を測定
すると、セル有効長さLの振動中心L(t)から、圧
力P、温度T(t)における比容積が得られる。一
方、圧力をP(t)=P一定とし、温度をT(t)=
(t)としたときに、L(t)=L(t)になる
とすれば、圧力が、P(t)=P+Asinωt
で、温度が、T(t)=T(t)+A(t)sin
(ωt+φ)の場合に、サンプルセル2の有効長さL
(t)は、一般論として、
【数1】 で表される。ここで、L(t)に対して得られる二つの
表現のそれぞれの振動成分を直交する二つの振動成分
(sinωtとcosωt)に分離して係数を比較すれ
ば、次の連立方程式を得る。
【数2】 この連立方程式の解は次式で与えられ、その第1の式か
らは熱膨張率が、第2の式からは圧縮率が得られる。
【数3】
【0017】なお、サンプルセルの有効断面積をA、サ
ンプルの容積をVとすると、 V=A・L(t)
【数6】 であり、サンプルの容積Vをサンプルの質量mで割るこ
とにより比容積が求められる。また、熱膨張率α、圧縮
率κは上式により求められる。
【0018】
【実施例2】実施例1と同じ装置を用いて圧力を方形波
として与えた場合について述べる。図2は、サンプルに
作用させる圧力を振動させた場合におけるサンプルセル
2の有効長L及び温度Tの時間的変化L(t) ,T(t) を
模式的に示すもので、同図(a)は、時間間隔Δtで圧
力がP0 とP1 の間で変化するところの方形波として与
えられる圧力の変化P(t) を、同図(b)及び(c)は
上記圧力の振動に伴うサンプルセル2の有効長L及び温
度Tの時間的変化L(t) ,T(t) を示している。
【0019】このような測定結果が得られた場合、同図
(b)におけるセル有効長さL(t)の包括線LT0P0によ
り、温度T0 、圧力P0 におけるサンプルの容積が得ら
れ、また、セル有効長さL(t) の包括線として得られる
T0P0及びLT0P1から、
【数4】 として圧縮率が、さらに、同図(c)においてT=T1
となる時点における同図(b)のセル有効長さL(t) の
曲線上の点を繋いで得られる曲線LT1P0から、
【数5】 として熱膨張率が得られる。
【0020】なお、実施例1,2においてはサンプルに
作用させる振動圧力が正弦波及び方形波の場合について
説明したが、これらの場合には出力される信号の処理も
容易に行うことができるが、他の波形の振動を付与する
こともできる。また、サンプルセルを用いた間接法によ
る場合について説明したが、直接法によることもでき
る。
【0021】このような測定法によれば、一般的なPV
T特性の測定装置に特に大きな改変を加えることなく、
それをそのまま利用することができて、簡易な手段によ
り、比容積、圧縮率、熱膨張率を同時に求めることがで
き、非平衡状態におけるそれらの測定も行うことができ
る。
【0022】
【発明の効果】以上に詳述した本発明の測定法によれ
ば、一般的なPVT特性の測定装置を用いて、比容積を
求め得ると同時に、簡易な手段により、圧縮率、熱膨張
率をも同時に求めることができ、それによって、従来の
方法では求めることが不可能であった非平衡状態におけ
る圧縮率、熱膨張率をも求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の測定に用いるのに好適なPVT特性測
定装置の構成を示す断面図である。
【図2】サンプルに振動圧力を作用させた場合における
容器の有効長及び温度の時間的変化を模式的に示すグラ
フである。
【符号の説明】
2 サンプルセル 25 サンプル

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】サンプルを容器に収容し、所期の温度及び
    圧力における容器の内容積の変化から材料の圧力−容積
    −温度特性を測定するに際し、 サンプルに作用させる圧力を振動させながら、比容積、
    圧縮率、熱膨張率を求めるための容器内容積の変化及び
    容器内温度の変化を測定する、ことを特徴とする材料に
    おける圧力−容積−温度特性の同時測定法。
  2. 【請求項2】サンプルに作用させる圧力の波形が方形波
    である、ことを特徴とする請求項1に記載の材料におけ
    る圧力−容積−温度特性の同時測定法。
  3. 【請求項3】サンプルに作用させる圧力の波形が正弦波
    である、ことを特徴とする請求項1に記載の材料におけ
    る圧力−容積−温度特性の同時測定法。
JP5339518A 1993-12-03 1993-12-03 材料における圧力−容積−温度特性の同時測定法 Expired - Lifetime JP2744977B2 (ja)

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