小型化气体声学温度计的研究

为促进气体声学原级测温技术的实用化发展,基于圆柱气体声学共鸣法测量热力学温度的原理,研制了内径10 mm、外径12 mm、内长40 mm的小型化气体声学温度计,采用优化的声学传感器提高了待测声压强度,开展了常压下常温至782 K的实验测试。对采用声波导管的小型化圆柱腔内常压空气进行测量,结果显示,在782 K时的声学共鸣频率相对标准偏差小于0.2%;修正了边界层及导管扰动后,基于空气声速的热力学关系,以常温为相对法的参考,获得了407~782 K的热力学温度,测量不确定度为0.76~2.93 K(k=1)。该研究为原级气体声学温度计在恶劣或特殊环境下的应用提供了可能。

微波谐振法应用于高温气体声学温度计的研究

高于335 K的热力学温度T与国际温标ITS-90温度(T_(90))之间的差异T-T_(90),是当前国际温度计量前沿研究的重点与难点。基于气体声速获得热力学温度的方法是该温区具有测量不确定度优势的方法,气体声速可通过声学共鸣法测得的声学共振频率和腔体尺寸获得。微波谐振法是高温区实时、原位获得腔体尺寸和热膨胀性的技术路线。通过优化高温气体声学热力学温度测量装置,提升温度和压力稳定性;采用自研的耐高温微波传感器,测量了335 K至493 K圆柱腔内的微波谐振频率,相对标准偏差为(2~13)×10^(-8);通过微波谐振频率获得了腔体尺寸随温度的变化关系,验证了几何尺寸的稳定性;同时实时获得圆柱腔内气体的折射率和压力,用于分析流动气路产生的压差。研究结果可为精密测定335 K以上T-T_(90)提供重要基础。

基准声学温度计的研究进展

热力学温度是一切温度测量(包括国际实用温标)的基准,是国际上公认的最基本的温度.声学温度计是测量中低温区热力学温度精度最高的方法之一,也是定容理想气体温度计最有效的替代方法之一.综述了声学温度计测量热力学温度的研究进展,分析了目前建立声学温度计的最主要方法-球共鸣声学法的测量原理及其进展,并对声学温度计的未来发展进行了展望.

定程圆柱基准声学温度计初步研究

热力学温度的准确测量是制定和修订国际温标的基础。在中低温区范围,声学温度计具有最小测量不确定度,对热力学温标定值和国际温标修订具有重要影响。本文介绍了国际上首次以定程圆柱声学共鸣腔为基础,建立的定程圆柱声学温度计实验系统,包括共鸣腔和压力舱组成的实验本体、声学和微波频率测量系统、压力测量系统、温度测量系统以及数据采集分析系统。在这个实验系统上,测量了323.150 K温度零压力下的纯氩气声速,实验结果显示纯径向模式外推值的相对标准偏差为4.68×10-6,在国际温度计量界球形和准球形共鸣腔基准声学温度计(1～5)×10-6的不确定度范围内,初步研究验证了采用边界层扰动修正对于定程圆柱声学温度计准确测量热力学温度的有效性,并由此了解了更精细修正的方向,验证了微波谐振法测定圆柱共鸣腔体直径的可用性和准确性。该研究为进一步扩展温度范围和改善测量不确定度奠定了基础。

气体声学温度计中声波导管的优化设计研究

声波导管的设计是影响声学信号信噪比的关键因素,导管内径越大、长度越短,越利于声波传输,但同时对声学共鸣腔产生更大的扰动。提出了采用变径声波导管降低声波的能量损耗和扰动方法,建立了变径声波导管的衰减和扰动模型,对比分析声学信号在不同尺寸声波导管内的能量衰减和导管对圆柱轴向非缔合声学共振频率和半宽的扰动,获得了优化的导管尺寸,在声波传输能量损失较小的情况下对内长为80 mm圆柱腔体首个轴向非缔合声学共振频率产生的相对扰动在3×10-5以内,该声波导管的优化设计可为高温气体声学温度计的深入研究提供理论支持。

声学温度计中声波导管声学传感器的研究

国际温标是热力学温标的逼近,准确地测量热力学温度是制定或修订国际温标的物理基础.600～1 358 K温度范围,位于接触法热力学温度测量的上沿和辐射法测量热力学温度的下沿不重合区,在此温度区间,缺乏准确的热力学温度测量值.声学温度计是目前已知的具有最小测量不确定度的热力学温度测量方法.由于声学传感器无法在高温环境下工作,故需采用耐高温金属声波导管将声学信号引入声学传感器工作温度环境,以便于声学共鸣频率测量,这是解决声学温度计测量高温热力学温度的技术关键.为了将定程圆柱声学温度计工作温度拓展到600～1 358 K范围,研究了声波导管声学传感器对定程圆柱共鸣腔共振频率响应特性的影响,通过理论分析和实验测量,得到了可适应于声学温度计的声波导管尺寸和传感器设计形式,为后续高温区热力学温度的测量奠定基础.

实用氦气声学温度计初步研究

对高温气冷堆堆芯温度的可靠测量是目前的技术难题之一。传统温度计依靠实验室标定的材料特性与温度的关系进行测温,然而,长期暴露在高温、高辐照环境中,其测温材料的性质会发生改变且得不到及时校准,温度传感器易发生漂移甚至失效。气体声学温度计通过测量单原子气体的声速可以直接获得热力学温度;由于气冷堆内氦气介质相对稳定,利用氦气声速获得温度具有较高的可靠性。针对实用氦气声学温度计开展了初步研究,基于圆柱声学共鸣法设计了实用声学温度计测试系统,采用声波导管声学传感器测量了488 K至806 K圆柱共鸣腔内氦气的声学共振频率,修正了热边界层和粘性边界层的影响;基于量子力学从头算得到的氦气声学维里状态方程,获得了热力学温度。对氦气共振频率的测量相对标准偏差小于0.07%,温度测量的信噪比可满足需求,声学温度计与热电偶测温结果差异小于1%。研究结果为未来持续开展极端环境下气体声学温度计的应用研究提供了支持。

传感器驱动电压对声学温度计中声速测量的影响

声学温度计通过声速的精密测量得到热力学温度,是目前测量热力学温度不确定度最小的方法之一。压电陶瓷传感器结合端盖薄膜结构的声学传感器和传统麦克风传感器相比能够显著提高圆柱共鸣腔的共振频率测量信噪比。在圆柱共鸣腔中,纯轴向声学模式共振峰的幅值和信噪比随着压电陶瓷传感器驱动电压的增加而增加。压电陶瓷传感器驱动电压的变化对共振峰的频率和半宽影响较小,不会引起额外频率扰动。共振频率的随机偏差在气体压力低于150 kPa时随压电陶瓷传感器驱动电压升高逐渐减小;在气体压力高于150 kPa时驱动电压的影响不明显。该研究对于提高采用圆柱定程干涉法声学温度计测量热力学温度的精度具有重要的意义。

气体声学温度计的研究与进展

热力学温度是测量温度的基准,是国际上公认的最基本的温度。气体声学温度计是测量中低温区热力学温度最精确的方法之一,具有最小的测量不确定度。运用气体声学测温方法不仅可以精确测量热力学温度,还可以精确测定玻尔兹曼常数,从而实现对开尔文的重新定义。针对气体声学温度计测量热力学温度的相关研究工作,对气体声学测量热力学温度的研究进程进行了综述,总结介绍了气体声学测温的原理和技术,并对未来声学温度计的研究工作进行了展望。

低温气体声学温度计测量原理与实验系统研制

热力学温度是温度测量的基准,应用气体声学温度计测量热力学温度是目前应用最广泛和测量最精确的方法之一。本文基于国内对于低温标准的需求,针对低温温度的精密测量,分析了采用球形谐振腔的气体声学温度计测量原理,并对谐振腔进行了静力学特性仿真模拟。在综合考虑降低非理想因素扰动的基础上,研制了一套在液氦温区4.2~20 K、利用脉冲管制冷机冷却的气体声学温度计实验系统,该系统将用于高精度低温温度测量实验以及气体工质的热物性研究。

声学气体温度计测量不确定度分析

声学气体温度计(AGT)是当前测量热力学温度最精确和应用最广泛的计量器具。该方法通过测量声学共鸣腔内的气相声速确定热力学温度,进而得到玻尔兹曼常数,从而实现国际温标开尔文的重新定义。声学气体温度计测量的关键技术包括气体纯度、腔体体积、声波及微波频率的测量。针对当前的研究成果,本文综述了其主要不确定度来源分析,并对未来低温区的精确测量做了展望。

工质相变对低温谐振腔声速测量的影响分析

声学气体温度计是通过精确测量球型谐振腔内的气相声速,确定热力学温度应用最为广泛的计量器具。气体工质的相变是低温区声学气体温度计高精度测量系统不确定度的主要来源。本文基于热粘性流体动力学、热力学相变和理论声学基本方程,推导了气液混合工质对声速测量的影响公式,建立了声波波数计算模型,并进行了数值计算仿真和实例验证。拟合结果显示,气液混合物对于声速测量值的相对扰动不确定度<0.03 ppm,满足声速测量的要求。随着压强的增大,偏移量呈现缓慢减小的趋势,其中扰动值变化量分别在5.4、3.3 kHz时达到最大和最小。该方法计算结果精度较高,验证了其可行性。