(M.Sc. Ahmed El Hawary)
Im Grenzfall kleiner Frequenzen und Amplituden ist die Geschwindigkeit, mit der sich Schallwellen in einem Fluid ausbreiten, eine thermodynamische Zustandsgröße. Da das Quadrat der Schallgeschwindigkeit die Ableitung des Drucks nach der Dichte bei konstanter Entropie ist, sind Schallgeschwindigkeitsdaten insbesondere im Flüssigkeitsgebiet, wo viele Eigenschaften stark von der Dichte abhängen, wertvoll, um präzise Zustandgleichungen aufzustellen. Daher wurde am Institut eine Apparatur entwickelt, mit der die Schallgeschwindigkeit in Fluiden im Temperaturbereich zwischen 240 und 420 K unter Drücken von bis zu 100 MPa mit hoher Genauigkeit vermessen werden kann.
Das Messprinzip der Apparatur basiert auf einem Impuls-Echo Verfahren, das auf Muringer et al. zurückgeht [Phys. Chem. Liq. 14, 273, 1985]. Die Schallgeschwindigkeitssonde befindet sich in einem Druckbehälter, der die Messflüssigkeit aufnimmt. Ein piezoelektrischer Kristall mit einer Resonanzfrequenz von 8 MHz dient als Schallsender und -empfänger. Er ist im Abstand von 20 mm bzw. 30 mm zwischen zwei Reflektoren angeordnet und wird mit 60-80 Sinusperioden angeregt. Die Schallgeschwindigkeit ergibt sich als die doppelte Differenz der beiden Abstände zwischen Kristall und Reflektoren dividiert durch die Differenz der Zeiten, die die ausgesendeten Signale benötigen, um diese Strecken zu durchlaufen. Zur Messung der Zeitdifferenz wurde ein von Kortbeek et al. [Rev. Sci. Instrum. 56, 1269, 1985] entwickeltes Phasenvergleichsverfahren adaptiert und modifiziert. Die Wegdifferenz wird durch Kalibiermessungen mit deionisiertem und entgastem Wasser ermittelt. Der Druckbehälter wird in einem Umlaufthermostaten thermostatisiert, mit dem die Temperatur innerhalb von 0,5 mK konstant gehalten werden kann. Die Temperatur wird in der Druckbehälterwand mit einem kalibrierten Pt25-Sensor unter Verwendung einer Präzisionswechselstrombrücke gemessen. Die Druckmessung erfolgt mit zwei Gaskolbenmanometern, die mit einem Differenzdruckindikator (Membranzelle) an die Messflüssigkeit angekoppelt werden. Die erreichten Messunsicherheiten belaufen sich auf 3 mK für die Temperatur, 0,01 {3728c0ddcf5026c65bc0b4e995c837d09025c3e7fa253cea254631dfe46bf841} für den Druck und 0,02 {3728c0ddcf5026c65bc0b4e995c837d09025c3e7fa253cea254631dfe46bf841} für die Schallgeschwindigkeit.
Bislang wurden die Fluide Propan, Propen und die Kältemittel R227ea und R365mfc im Flüssigkeitsgebiet und überkritischen Zustandsgebiet vermessen. Außerdem wurde mit Messungen in komprimiertem Argon und Stickstoff aufgezeigt, dass mit der Apparatur auch Schallgeschwindigkeiten in komprimierten Gasen mit hoher Genauigkeit gemessen werden können. Die Daten für Argon und Stickstoff stimmen mit hochgenauen Literaturdaten, die mit dem in Gasen üblicherweise angewendeten Kugelresonatorverfahren gemessen wurden, im Überlappungsbereich der beiden Messverfahren innerhalb von 30 ppm überein.
Zu diesem Projekt gibt es auch zwei Poster, welche neben einer ausführlichen Projektbeschreibung auch eine kurze Darstellung der Messergebnisse für diverse Fluide präsentieren.
Letzte Änderung: 3. Juni 2021