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 计量学

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气压标准降至基本要求

克里斯托夫·盖瑟站在一组复杂的金属管和电线旁边,这些金属管和电线从天花板悬挂到天花板上。
PTB的科学家Christof Gaiser在PTB的介电常数气体温度计上,该温度计用于测量电容。 (礼貌:PTB)

德国的研究人员已经开发出一种新的压力测量标准,该标准不依赖诸如机械活塞或汞柱之类的假象。该方法取而代之的是基于第一原理的计算和对氦气电性能的灵敏测量,该方法在高达7 MPa的压力下精确到百万分之五,并且最终可以替代基于物理对象的压力标准。

在1600年代中期,诸如Evangelista Torricelli和Christiaan Huygens等科学家开始使用开放式的汞柱和汞管来测量气体相对于大气压的压力。这种类型的系统仍被用作压力标准,但近几十年来计量学家一直在努力开发替代产品, 消除对有毒汞的需求。新的压力标准是由Christof Gaiser及其同事在 物理技术学院 (PTB)在柏林。

PTB团队的第一步是用精密设计的活塞代替汞柱。活塞下方的压力可以通过将活塞的表面积乘以负载质量来直接计算得出。盖瑟解释说,困难在于必须以非常高的精度测量活塞的表面积以及活塞与周围气缸之间的间隙。此外,由于活塞是物理对象,因此每个活塞都略有不同。盖瑟说:“我们在PTB拥有的活塞式压力计的误差为百万分之一。” “它们都是独一无二的,必须非常准确地表征。”

A piston balance standing on a table

一种独立的方法

为了消除这一缺点并检查其机械活塞式压力表的准确性,Gaiser及其同事开发了一种基于称为介电常数气体温度计(DCGT)的技术的替代气压标准。这种方法 在1980年代初期发明在PTB完善 作为国际努力的一部分, 固定玻尔兹曼常数的值 (从而重新定义温度的开尔文单位),涉及测量当电容器电极之间的空间充满加压气体时电容如何变化。电容的变化与气体的介电常数有关,而介电常数又取决于气体的密度。 Gaiser说,一旦知道了密度,就可以使用理想气体定律的修改版来轻松计算温度。

PTB小组的最新结果为DCGT带来了新变化。他们利用电容的变化来计算压力,而不是利用电容的变化来计算温度,而是利用现在固定的温度定义和两个量的理论计算:气体的电极化率和气态原子之间相互作用的强度。

在氦气中,可以根据第一原理进行此类计算。盖瑟(Gaiser)指出,它们历史悠久,氦的电极化率的第一个值是在1920年代和1930年代得出的。最近,开尔文(Kelvin)重定义项目激发了这些计算准确性的重大进步,几个研究小组独立开发了执行这些结果的更好方法。这些改进以及PTB小组在实验室中的工作,使得开发基于电容的新标准成为可能。

“可能是世界上最好的压力测量”

“ [PTB研究人员]在通过DCGT确定玻尔兹曼常数时,必须(可能)进行了世界上最好的压力测量,因此,您可以进行相反的操作并使用类似的方法来精确地测量压力,我并不感到惊讶,” 格雷厄姆·马钦(Graham Machin)是英国特丁顿国家物理实验室的研究员。

Machin领导英国为重新定义开尔文做出了贡献,但并未参与目前的工作,他说PTB小组的方法可能构成未来非机械压力标准的基础。尽管他警告说,机械标准不会一夜之间被取代,但“从长远来看,当旧标准达到使用寿命时,这将是一个严肃的选择。”

詹姆斯·施密特美国国家标准技术研究院(NIST)的物理学家和压力专家表示赞同。 “就像用开尔文常数定义代替开尔文一样,压力标度可以用特征明确的气体的密度以及该气体的介电常数或折射率的电子测量来代替,”他说。 “尽管重新定义和新技术可能无法立即取代工厂现场的操作,但它们对于一些最高级别的国家标准机构(例如PTB和NIST)来说很重要。”

Gaiser同意PTB方法在被广泛采用之前还需要进一步的工作。他说:“这是一个相当大的实验,必须考虑到需要非常纯净的气体和良好的温度稳定性。”他补充说,将方法推至目前的7 MPa极限以上,还需要在非常高的压力下氦气理论方面进一步发展。

团队报告他们在 自然物理学.

版权©IOP 出版 Ltd和个人贡献者的2021年