本發(fā)明涉及一種用于流體性質測定與觀察的實驗裝置，特別涉及一種用于流體壓強、體積、溫度之間關系測定及臨界現(xiàn)象觀察的實驗裝置，屬于實驗教學儀器。

背景技術：

流體的壓強（P）、體積（V）、溫度（T）之間的性質關系是流體的基本性質，是計算流體熱力學性質的基礎數(shù)據(jù)，流體的物性數(shù)據(jù)，如流體的臨界溫度、臨界壓強、臨界體積等性質是決定物質液化、汽化、壓力容器設計等的基礎數(shù)據(jù)，為此需要測定流體的壓強、體積溫度之間的關系，認識研究流體的臨界性質，由于流體的這些物性數(shù)據(jù)是流體最基本的性質，因而流體的壓強、體積、溫度間關系測定及臨界數(shù)據(jù)測定受到重視，有了這些性質后，根據(jù)熱力學關系可以計算流體的其它熱力學性質，這些性質在化學、化工、制冷、氣體液化、熱能利用等方面發(fā)揮重要作用。

流體的壓強、體積、溫度之間關系的測定及臨界現(xiàn)象觀察是很多高校開設的一個實驗項目，中國專利CN202599882U公開了二氧化碳臨界點及p-v-T關系測量實驗臺的組成，該測量實驗臺主要有實驗臺本體、恒溫循環(huán)浴、恒溫循環(huán)水夾套、活塞式壓力源、二氧化碳等組成，但設備中使用壓力表校驗器作為壓力源，壓力表校驗器一般使用蓖麻油或變壓器油作為工作液體，工作液體也就是CN202599882U中所說的液壓油，在氣溫較低時，由于蓖麻油粘度過大，在使用活塞抽油時，往往會有空氣從活塞密封件處漏入油缸，也就是工作液體缸，導致蓖麻油無法抽入油缸，自然無法加壓，實驗無法進行，在相同溫度下，將蓖麻油更換為變壓器油，變壓器油粘度較小，不會出現(xiàn)漏入空氣的現(xiàn)象，但施加較高壓力時，變壓器油容易從活塞密封件處泄漏，因此使用蓖麻油或變壓器油都存在缺陷；除此之外，使用壓力表校驗器作為壓力源存在的更嚴重問題是：壓力表校驗器有多個閥門，在實驗進行時，往往會出現(xiàn)閥門打開或關閉的錯誤，實驗臺本體內的二氧化碳由于壓力高，壓力表校驗器內油杯壓力為常壓，內外壓差大，導致實驗本體內的二氧化碳從本體中沖出，造成設備報廢，在需要多次抽油時，更容易出現(xiàn)閥門打開或關閉操作錯誤，更容易出現(xiàn)設備損壞的情況。因為向實驗裝置本體中充入二氧化碳需要技巧，只有重新請設備生產廠家充入二氧化碳，差旅費及人工成本很高，而且也很麻煩，生產廠家往往也不愿意充入二氧化碳；當內外壓差稍小時會損壞壓力表，由于是操作不當或失誤而出現(xiàn)這類問題，因而生產廠家不愿意生產這類設備，因為很難分清責任，后期維護成本很高；由于壓力表校驗器油缸體積遠比實驗臺本體內油缸體積小，需要使用壓力表校驗器上的活塞多次從油杯中將油抽到本體的油缸內，實驗效率低，另外的缺點是實驗設備只能測量一種流體的性質。

技術實現(xiàn)要素：

針對上述問題，發(fā)明人是通過如下技術方案解決問題的：

活塞式壓力源測定多種流體壓強體積溫度關系的實驗裝置由活塞式壓力源和測定裝置組成，活塞式壓力源由手輪（1）、活塞螺桿（2）、螺母（3）、活塞筒（4）、活塞組件（5）、工作液體缸（6）、接頭(7)組成，其中螺母（3）與活塞螺桿（2）配合，通過手輪（1）旋轉將手輪（1）的旋轉運動轉變?yōu)榛钊輻U（2）的直線運動，推動活塞組件（5）在活塞筒（4）內運動，從而改變工作液體缸（6）的體積大小而產生壓力變化，活塞螺桿（2）端部嵌入活塞組件（5）中，形成間隙配合，接頭（7）用于連接測定裝置，水銀是活塞式壓力源的工作液體，水銀同時也是密封液體。

活塞組件（5）包括導向螺母（8）、活塞組件主體（9），活塞部件（10）、（11）、（14），活塞密封件（13），壓緊螺母（12）。

測定裝置由恒溫循環(huán)水夾套（20）、玻璃法蘭毛細管（21）、恒溫循環(huán)水夾套壓蓋（22）、玻璃法蘭毛細管法蘭壓蓋（23）、密封液體容器蓋子（24）、密封液體容器（25），恒溫循環(huán)水夾套壓緊墊圈（26）、恒溫循環(huán)水夾套密封件（27）、玻璃法蘭毛細管法蘭壓蓋螺栓（28）、玻璃法蘭毛細管法蘭壓緊墊片（29）、玻璃法蘭毛細管法蘭密封件（30）、密封液體容器墊片（31）、接頭（32）、真空閥、充氣閥、壓力表，用于連接真空閥、充氣閥、壓力表和密封液體容器蓋子（24）的連接結構及螺栓等附件組成，在密封液體容器蓋子（24）側面有水平通孔（241），通過水平通孔（241）將真空閥、充氣閥、壓力表連接到測定裝置上。

測定裝置主體由密封液體容器蓋子（24）與密封液體容器（25）組成，測定裝置主體內上下兩端分別呈圓錐形，中間呈圓筒形，密封液體容器蓋子（24）與密封液體容器（25）連接在一起，中間放置密封液體容器墊片（31），密封液體容器蓋子（24）上的圓形玻璃法蘭密封件槽內放置玻璃法蘭毛細管法蘭密封件（30），將玻璃法蘭毛細管（21）與玻璃法蘭毛細管法蘭壓緊墊片（29）、玻璃法蘭毛細管法蘭壓蓋（23）配合，通過玻璃法蘭毛細管法蘭壓蓋螺栓（28）與通孔（232）配合，將玻璃法蘭毛細管（21）垂直固定于密封液體容器蓋子（24）上，在恒溫循環(huán)水夾套（20）外翻邊上下兩側分別放置恒溫循環(huán)水夾套壓緊墊圈（26）和恒溫循環(huán)水夾套密封件（27），使用螺栓將恒溫循環(huán)水夾套壓蓋部件（222）通過通孔（221）、螺栓孔（231）固定在玻璃法蘭毛細管法蘭壓蓋（23）上。

通過接頭（7）、接頭（32）使用耐壓金屬管、卡套接頭將活塞式壓力源和測定裝置連接起來。為減少水銀使用量，耐壓金屬管內徑在1～5毫米，耐壓金屬管壁厚在1～3毫米。

測定裝置的密封液體是水銀，測定裝置內充入的流體包括但不限于二氧化碳、六氟化硫、乙烷、氟里昂13、氟里昂23，測定裝置內充入的流體，純度要求摩爾百分比達到99.99%。

活塞式壓力源沿工作液體缸（6）軸向、測定裝置沿玻璃法蘭毛細管（21）軸向垂直于水平面安裝，接頭（7）、接頭（32）均位于底部，活塞式壓力源中工作液體缸（6）體積最大時，工作液體高度低于水平通孔（241）。

活塞式壓力源內工作液體缸（6）能排出工作液體體積大于活塞式壓力源和測定裝置連接管路體積與測定裝置內密閉空間體積之和至少10毫升。

水平通孔（241），其位置對應于密封液體容器蓋子（24）內部錐形區(qū)。

充氣閥、真空閥、壓力表的接頭水平高于水平通孔（241）水平中心線。

玻璃法蘭毛細管（21）法蘭外徑與玻璃毛細管外徑之比在5∶1～8∶1。

密封液體容器蓋子（24）錐形中心線、密封液體容器（25）錐形中心線與玻璃法蘭毛細管（21）軸向中心線在同一條垂直線上。

玻璃法蘭毛細管法蘭壓蓋螺栓（28）優(yōu)選內六角圓柱頭螺栓。

恒溫循環(huán)水出口(201)高于玻璃法蘭毛細管頂端至少10毫米。

其優(yōu)點是使用活塞式壓力源代替壓力表校驗器，使用水銀作為工作液體和密封液體，徹底解決蓖麻油粘度大導致的漏入空氣、變壓器油粘度小漏油，無法進行實驗的問題，從根本上解決由于實驗本體和壓力表校驗器內由于壓力差過大，操作失誤造成流體從實驗本體內沖出，導致實驗設備報廢的隱患，不用反復抽油，實驗效率高，能用于多種流體性質測定，使用方便。

附圖說明

圖1、活塞式壓力源的一種結構剖面圖，1手輪，2活塞螺桿，3螺母，4活塞筒，5活塞組件，6工作液體缸，7接頭。

圖2、活塞式壓力源的一種活塞組件剖面圖，8導向螺母，9活塞組件主體，10、11、14活塞部件，13活塞密封件，12壓緊螺母。

圖3、測定裝置的一種剖面圖，20恒溫循環(huán)水夾套，21玻璃法蘭毛細管，22恒溫循環(huán)水夾套壓蓋，23玻璃法蘭毛細管法蘭壓蓋，24密封液體容器蓋子，25密封液體容器，26恒溫循環(huán)水夾套壓緊墊圈，27恒溫循環(huán)水夾套密封件，28玻璃法蘭毛細管法蘭壓蓋螺栓，29玻璃法蘭毛細管法蘭壓緊墊片，30玻璃法蘭毛細管法蘭密封件，31密封液體容器墊片，32接頭，201恒溫循環(huán)水出口，202溫度計插孔， 203恒溫循環(huán)水進口。

圖4、密封液體容器蓋子24剖面圖，241水平通孔。

圖5、上圖是玻璃法蘭毛細管法蘭壓蓋23的俯視圖，231螺栓孔，232通孔；下圖是恒溫循環(huán)水夾套壓蓋俯視圖，221通孔，222恒溫循環(huán)水夾套壓蓋部件。

具體實施方式

為進一步理解說明發(fā)明申請，對本發(fā)明申請中活塞式壓力源和測定裝置中相關內容做進一步的解釋，并說明本發(fā)明的實施方法。

由于固定活塞式壓力源和測定裝置的支架、活塞式壓力源和測定裝置的固定結構屬于常識，如活塞式壓力源和測定裝置使用六角鋼制造，或使用圓鋼棒或鋼管將活塞式壓力源和測定裝置外部加工成六角形，或在活塞式壓力源和測定裝置表面焊接上用于固定和用于安裝的部件，因而固定裝置結構及部件在圖上未畫出，裝置的固定步驟在實施說明中略去。

根據(jù)圖3按照從下到上的順序組裝，先用銅管和卡套接頭，將活塞式壓力源上的接頭（7）和接頭（32）連接起來，使用的銅管內徑為6毫米，銅管壁厚2毫米，旋轉手輪（1）使工作液體缸（6）體積最大，將密封液體容器（25）垂直固定在支架上，從密封液體容器（25）上部加入密封液體水銀約500克，調節(jié)活塞式壓力源水平，排除工作液體缸（6）內空氣，水銀充滿工作液體缸（6），將密封液體容器墊片（31）放到密封液體容器（25）上，密封液體容器墊片（31）選用聚四氟乙烯墊片，連接密封液體容器蓋子(24)和密封液體容器(25)，將密封液體容器蓋子（24）上的圓形玻璃法蘭密封件槽內放置玻璃法蘭毛細管法蘭密封件（30），玻璃法蘭毛細管密封件（30）選擇使用墊片，將玻璃法蘭毛細管（21）與玻璃法蘭毛細管法蘭壓緊墊片（29）、玻璃法蘭毛細管法蘭壓蓋（23）配合好后，通過玻璃法蘭毛細管法蘭壓蓋螺栓（28）與通孔（232）配合，將玻璃法蘭毛細管（21）固定于密封液體容器蓋子（24）上，在恒溫循環(huán)水夾套（20）底部的外翻邊上下兩側分別放置恒溫循環(huán)水夾套壓緊墊圈（26）和恒溫循環(huán)水夾套密封件（27），恒溫循環(huán)水夾套密封件（27）選擇使用O形圈，然后使用螺栓將兩個恒溫循環(huán)水夾套壓蓋部件（222）通過通孔（221）固定在螺栓孔（231）上，以此來固定恒溫循環(huán)水夾套壓蓋（22），恒溫循環(huán)水夾套壓蓋（22）是由兩個對稱的半圓形恒溫循環(huán)水夾套壓蓋部件（222）組成。

考慮到繪圖的清晰度，玻璃法蘭毛細管法蘭壓蓋螺栓（28）并未繪成剖面圖的形式。

通過水平通孔（241）將真空閥、充氣閥、壓力表連接到密封液體容器蓋子（24）上，在溫度計插孔（202）中插入溫度計，將恒溫循環(huán)水分別連接到恒溫循環(huán)水進口（203）和恒溫循環(huán)水出口（201）上，調節(jié)恒溫循環(huán)水浴的溫度到設定值。

先利用測定裝置密閉空間內的空氣檢驗裝置的密封性，關閉真空閥和充氣閥，緩慢旋轉活塞式壓力源手輪（1），工作液體缸（6）體積減少，水銀被輸送到密封液體容器中，壓縮空氣使壓力達到5.5MPa,保持1到2分鐘，壓力應維持不變，裝置密封檢驗合格后，旋轉手輪（1），使工作液體缸（6）體積最大，將真空泵連接到緩沖瓶上，將緩沖瓶連接到測定裝置的真空閥上，打開真空閥，啟動真空泵，抽真空至少20分鐘，關閉真空閥；將六氟化硫鋼瓶連接到測定裝置的充氣閥上，打開充氣閥，充入六氟化硫蒸汽到略高于大氣壓，關閉充氣閥，再次打開真空閥，再抽真空10分鐘，再次關閉真空閥，然后打開充氣閥，充入六氟化硫蒸汽到0.3MPa，關閉充氣閥，打開恒溫循環(huán)水開關，先在室溫下進行測量，旋轉手輪（１）逐漸加壓，依次出現(xiàn)六氟化硫呈現(xiàn)過熱蒸汽、飽和蒸汽、汽液平衡、飽和液體、壓縮液體等狀態(tài)，記錄測定溫度、壓力、流體高度的數(shù)據(jù)，流體高度是由恒溫循環(huán)水夾套（20）側面上垂直方向的刻度顯示的。

流體體積由流體高度與毛細管內徑數(shù)值，按照流體體積等于玻璃法蘭毛細管（21）截面積與流體高度乘積計算出流體體積，玻璃法蘭毛細管（21）內徑是利用重量法得到的，通過恒溫下玻璃法蘭毛細管（21）高度、玻璃法蘭毛細管（21）內水銀重量、恒溫下水銀密度計算出來的，玻璃法蘭毛細管（21）內徑是0.312厘米，可以計算出玻璃法蘭毛細管（21）的毛細管橫截面積是0.0764平方厘米，根據(jù)實驗記錄的恒溫循環(huán)水夾套（20）上的刻度值計算流體高度，由流體高度與毛細管內徑數(shù)值，按照流體體積等于玻璃法蘭毛細管截面積與流體高度乘積計算出流體體積，從恒溫循環(huán)水夾套（20）插入的溫度計記錄實驗溫度，從壓力表讀數(shù)記錄實驗壓力，可繪制出等溫下的PV圖。

升高溫度到45.5℃，可觀察到汽液分界線模糊的臨界現(xiàn)象。

當實驗溫度高于六氟化硫的臨界溫度45.5℃，六氟化硫處于氣體或超臨界流體，記錄溫度、壓力、流體高度等數(shù)值，可計算出流體高度，繪制等溫下的PV圖。

當需要使用比體積或摩爾體積的數(shù)據(jù)繪制PV圖時，可以由實驗測定的壓強、溫度、流體的體積數(shù)據(jù)，根據(jù)文獻數(shù)據(jù)計算出流體的物質的量，進而得到比體積或摩爾體積。

實驗完畢后，可將測定裝置內流體壓力降低到略高于大氣壓，等待進行下次實驗。

為節(jié)約學生實驗時間，測定裝置抽真空、充入六氟化硫流體的過程可由實驗技術人員或教師事先完成。

以二氧化碳壓強體積溫度測定實驗為例，進一步說明本發(fā)明的實施方法。先利用測定裝置內密閉空間內的空氣檢驗裝置的密封性，確保真空閥和充氣閥是關閉的，緩慢旋轉活塞式壓力源手輪（1），工作液體缸（6）體積減少，水銀被輸送到密封液體容器中，壓縮空氣使壓力達到10MPa,保持1到2分鐘，壓力應維持不變，裝置密封檢驗合格后，旋轉手輪（1）使工作液體缸(6)體積最大，將真空泵連接到緩沖瓶上，再將緩沖瓶與測定裝置的真空閥連接，打開真空閥，開動真空泵，抽真空至少20分鐘，關閉真空閥；將二氧化碳鋼瓶連接到測定裝置的充氣閥上，打開充氣閥，充入二氧化碳蒸汽到略高于大氣壓，關閉充氣閥，打開真空閥，再抽真空10分鐘，關閉真空閥，然后旋轉活塞式壓力源手輪（1），將水銀升高到玻璃法蘭毛細管（21）的毛細管下端，以肉眼可見為準，然后打開充氣閥，充入二氧化碳蒸汽到0.7MPa，關閉充氣閥，打開恒溫循環(huán)水開關，先在室溫下進行測量，旋轉手輪（１）逐漸加壓，可依次出現(xiàn)二氧化碳呈現(xiàn)過熱蒸汽、飽和蒸汽、汽液平衡、飽和液體、壓縮液體等狀態(tài)，記錄測定溫度、壓力、流體高度的數(shù)據(jù)，流體高度是由恒溫循環(huán)水夾套（20）上的刻度顯示的。其余步驟與六氟化硫性質測定實驗方法相同。

實驗中使用的真空泵流量為1升每分鐘，絕壓達到-0.09MPa。

使用CN202599882U公布的實驗裝置本體，仍然使用壓力表校驗器作為壓力發(fā)生器，除不需要抽真空、充流體外，其余操作步驟共基本相同，但原來的實驗裝置因為壓力表校驗器的油缸容量比實驗臺本體的油壓室容量小得多，需要多次從油杯里抽油，再向實驗臺本體中充油，才能在壓力表上顯示壓力讀數(shù)。壓力表校驗器抽油、充油的操作過程非常重要，因為操作出現(xiàn)問題不但加不上壓力還會損壞試驗設備，其步驟如下：①關閉壓力表及進入本體油路的兩個閥門，開啟壓力表校驗器上的油杯的進油閥。②搖退壓力表校驗器上的活塞螺桿，直到螺桿全部退出，這時壓力臺油缸中注滿了油。③先關閉油杯閥門，然后開啟壓力表和進入本體油路的兩個閥門。④搖進活塞螺桿，向裝置本體充油，如此反復，直至壓力表上有壓力讀數(shù)為止，二次充油時，必須首先記住第一次充油時達到的壓力，等二次充油壓力達到第一次充油的壓力時，才能打開本體油路的閥門，以免損壞設備。整個實驗過程中壓力不能超過6.0MPa。⑤再次檢查油杯閥門是否關好，壓力表及本體油路閥門是否開啟，若已穩(wěn)定，即可實驗。其余步驟與實施例１相同，但操作步驟多，出現(xiàn)閥門打開和關閉的機會多，容易導致二氧化碳沖出實驗臺本體，實驗設備容易損壞，另一個問題是氣溫低時，即使氣溫在15℃時，也經常出現(xiàn)由于蓖麻油粘度大，壓力表校驗器活塞內進入空氣，抽不上油，經常會有導致實驗失敗的情況出現(xiàn)。

一旦打開或關閉壓力表校驗器上的閥門操作失誤，實驗裝置本體與壓力表校驗器壓力差較大，會使測量本體內流體沖出，導致設備報廢。

密封液體容器蓋子（24）與密封液體容器（25）間連接方式有多種，如螺紋連接、焊接等，螺紋連接也有多種形式，如直接在密封液體容器蓋子（24）下部內表面加工出內螺紋，在密封液體容器（25）上部加工出外螺紋，也可以在密封液體容器蓋子（24）下部外表面與密封液體容器（25）上部外表面加工螺紋，通過一個雙內絲直通接頭將密封液體容器蓋子（24）與密封液體容器（25）連接起來。

根據(jù)密封液體容器蓋子（24）與密封液體容器（25）間連接形式不同，密封形式有多種，如填料密封、密封件密封等。

密封件種類很多，如密封墊、密封圈等，如截面形狀為O形的O形密封圈，其材質優(yōu)選耐老化、耐高溫、耐化學試劑的材料，如丁腈橡膠、丁基橡膠、氯丁橡膠、丁苯橡膠、氟橡膠、硅橡膠、聚氨酯橡膠、氯磺化聚乙烯、聚硫橡膠、改性橡膠、復合橡膠等高分子材料，所述密封件材料包括但不限于上述材料。

密封件也可由不同材料包覆而成，所述的密封件包括兩種或兩種以上材料包覆形成的密封件。

當使用橡膠密封件時橡膠硬度不小于邵氏硬度75度，硬度過小，起不到密封作用，當硬度過大時，可能會損傷玻璃法蘭毛細管。

O形橡膠密封圈是常用的密封件，形狀不一，當設計合理時，均能實現(xiàn)密封要求，當使用異形截面橡膠密封件時，用于放置異形橡膠密封件的密封件槽剖面形狀與異形截面橡膠密封件截面形狀相同。

密封件材料也可以選用聚四氟乙烯、石墨等材料。

為增強密封效果，可以增加密封圈的數(shù)量，形成多重密封。

真空閥、充氣閥、壓力表在密封液體容器上的連接形式有多種，可以連接在液體密封容器蓋子（24），如在水平通孔（241）上通過接頭、耐壓金屬管，將真空閥、充氣閥、壓力表連接在測定裝置上，也可以通過一個加工連接孔的金屬塊將真空閥、充氣閥、壓力表連接起來。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非是對本發(fā)明作其它形式的限制，任何熟悉本專業(yè)的技術人員可能利用上述揭示的技術內容加以變更或改型為等同變化的等效實施例。但是凡是未脫離本發(fā)明技術方案內容，依據(jù)本發(fā)明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與改型，仍屬于本發(fā)明技術方案的保護范圍。