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。     

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。     

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。     

声波导管对圆柱型共鸣腔声场扰动的研究

声学共鸣法是目前测量流体热物性、热力学温度和玻尔兹曼常数最精确的方法之一,声波导管为共鸣腔提供声源和气体进入口,但是会破坏共鸣腔的理想表面从而导致腔体内气体介质共鸣频率的偏移(△f)和共鸣峰半宽的增加(g)。本文从一阶声学微扰出发建立了声波导管对共鸣腔声场的扰动模型,分析了导管位置、长度和半径大小对腔体中介质共振频率的影响。进一步测量了52～1763 mm之间六个不同长度的导管在T=332 K和p=50～500 kPa时,圆柱共鸣腔中轴向共鸣模式的共鸣频率和半宽的变化,测量结果与理论计算值吻合较好,证明了理论模型的正确性。     

低温球型共鸣腔声场分析与共振频率偏移计算

共振频率的偏移是利用声学温度计测量气相声速、进而精确测定热力学温度最主要的不确定度来源之一.为提高测温精度,基于声学微扰理论,分析了入射声波传感器激励作用下低温球型共鸣腔声场的组成,推导了因腔体做弹性振动造成的共振频率偏移表达式.研究了(0,1)到(0,6)的径向共振模态下,腔体半径与共振频率偏移量的关系曲线,结果显示在50～120mm内径范围内的腔体,共振频率偏移量随内径的增大,呈先减后增再减的趋势.根据计算结果,拟合了激励声波与共振频率偏移量的关系曲线,拟合结果与文献值吻合度较高,证实了计算方法的可行性.     

理想气体在热力学中的作用

指出热力学理论是普遍的,不依赖于理想气体.理想气体为热力学理论提供了一个简单的实例,为测量热力学温度提供了一种简单的温度计.     

多层面理解温度及等压外推标定

温度是科学技术中最基本的物理量之一,也是工农业生产及工程技术中最普遍的最重要的参数之一,温标的概念及温度的测量与控制十分重要。本文从宏观、微观、经典统计和量子统计等各个角度描述了温度的物理意义及标定方法,给出了利用气体等压膨胀实验标定热力学温度的方法和实验验证结果。本文所采用的等压膨胀外推法标定具有操作简便,耗时短,精度高的优点,实验结果表明,热力学温度0K的测量结果为-272.0℃,与公认值-273.15℃相比,其相对误差小于0.42%。     

球共振声学法测量普适气体常数

设计和建立了高精度的球共振声学法气体音速测量装置,分析了实际的球共鸣器的结构对共振频率的影响,并给予了相应的修正.测量了温度为29315K,压力在02MPa—08MPa范围内氩气的音速,并根据音速数据确定了普适气体常数.实验温度、压力和普适气体常数的不确定度分别为±14mK,±2kPa和±00036%.最终确定的普适气体常数R为831439±000030J·mol-1·K-1. 关键词： 普适气体常数 音速 球共振器 声学法     

重塑砂质含气沉积物的声响应特性与模型预测分析

海洋沉积物中气泡的存在对沉积物的声学特性有显著影响.为实现在实验室内对不同初始应力条件下含气沉积物的声学特性测量,研制了一套可用于土工三轴仪的双探针声学测量系统,基于CT扫描试验获得重塑含气砂样品中气泡群的尺寸分布,确定其共振频率范围.试验结果表明:细砂沉积物声速随气体含量的增加呈指数型降低,衰减系数随气体含量的增加呈...