高压气体声速精密测量系统的研制与测试

    1 引 言

    声速是流体最基本的热力学性质之一，也是目前测量准确度最高的热物性参数之一，通过测量不同温度和压力的气体声速，基于气体声速与温度、压力的热力学关系，结合气相声速维里状态方程形式，可获得气相声速维里系数和理想气体比热容，再通过气相声速维里系数与密度维里系数的微分关系，进一步可计算其他的热力学性质，如密度、焓、熵等。

    政府间气候变化专门委员会( intergonemonental panelon climate change，IPCC) 的报告 IPCC2007 指出，人为活动产生的 CO2是最重要的温室气体［1］。控制、消减 CO2排放量，是可持续发展、后京都议定书签字国责任划分的关键议题。由于 CO2的临界温度较低( 304．13 K) ，临界压力较高( 7．377 MPa) ，对其捕集、输运或者资源化利用，需要以高压下准确的热力学关系为基础。IPCC 特别报告［2］指出，近临界区和超临界 CO2及其混合物的热物性研究是亟待开展的研究方向; 美国国家标准技术研究院( national in-stitute of standards and technology，NIST) 在 2009 年 3 月的研究报告［3］中指出，目前已有的状态方程并不能精确表征临界区和超临界 CO2的热物理性质，不同方法得到的计算结果差别达到14%，在开展 CO2相关研究领域的学者中展开的调研显示，CO2热物性是 7 个研究方向中重要性投票最高的课题。国际上已发表的高准确度的 CO2气相声速数据仅有 Estrada-Alexanders 和 Trusler 采用圆法测量得到的结果［4］，单一来源的实验数据无法满足建立 CO2新的标准状态方程的需求。

    目前，国际学者对工质的气相声速测量最好水平是0． 01% ，在这个不确定度水平下可测量至高压 ( 大于1 MPa) 的实验系统是基于圆球定程干涉法［4］。圆柱声学共鸣腔由于其稳定的几何结构以及易于加工和装配等优点，被 NIST 的学者采用: Gillis 建立的可测量至 1 MPa的实验系统，声速测量不确定度可达到 0．01%［5］; Young-love 和 Frederick 建立的可测量至 10 MPa 的系统，声速测量不确定度为 0． 03 ～ 0． 05%［6］。高压气相声速精密测量的主要难点是: 1) 介质与壳体振动的耦合使得频率发生较大偏移，对实验方法和数据处理方法提出了新的挑战; 2) 适用于高压测量的圆柱声学共鸣腔以及声学传感器的设计; 3) 可耐高压的温度测量系统的设计。

    近几年，本文作者基于定程圆柱声学共鸣法重新定义玻尔兹曼常数研究所获得的先进知识和经验［7-9］以及清华大学已建立的可测量至 1 MPa 的实验系统的研究基础［10-11］，在国内首次建立了一套可用于压力高至 6 MPa的气相声速精密测量系统，该系统也是国际上首次将圆柱声学共鸣腔应用于 1 MPa 以上而且使得测量不确定度达到 0．01%的成功尝试。主要创新点在于: 1) 借鉴作者在 Boltzmann 常数测量上采用的技术，利用压电陶瓷替代传统的麦克风，极大的提高频率测量的信噪比，并使得共鸣腔体内壁工作面保持完整形状，不因为传感器的安装使用被破坏; 2) 进气导管的优化设计，采用更小尺寸的导管，极大降低了导管对于声场的扰动，并将导管置于端盖处，可以更好的控制导管与圆柱端面的配合，避免导管安装在圆柱体上难以保证内表面平齐的状况; 3) 设计了采用一等标准铂电阻温度计直接测量腔体内介质声速的结构，可在实验过程中随时标定，提高了温度测量可靠性，克服了套管式铂电阻温度计难以使用到高压的困难; 最后，提出新的实验数据处理方法，采用 Ar 标定获得圆柱腔体的尺寸，同时得到共振频率以及修正参数，极大降低了高压下壳体振动修正的不确定度，提升了圆柱定程干涉法测量高压气体声速的准确度。