基于氦氣電學測量的壓力測量新方法

發布時間:2019年12月13日

作為溫度單位開爾文重新定義工作的研究成果,德國物理技術研究院(PTB)的科學家已經研發出一種全新的基于自然常數的壓力測量方法。它可以用于測試PTB最精準的壓力表,檢查范圍從之前的10萬帕斯卡增加到目前最高700萬帕斯卡。這種方法首次在機械和電壓力測量之間進行比對,相對不確定度小于五百萬分之一。此外,新測量方法還提供了研究氦的獨特機會,氦是基礎物理學中的重要模型體系。這一研究結果發表在最近一期的《自然物理》中。

活塞壓力表是通過確定作用在活塞上的重力來精確測量活塞下方的氣體壓力,在某些壓力范圍內,即使最好的活塞壓力表也無法達到計量學家所希望的精準度,因此長期以來研究人員一直在努力研發新的壓力測量方法。PTB研制的新測量方法原理是通過電容測量進行氦氣密度測定,主要測量電極之間的氣體在多大程度上改變了高穩定特殊電容器的容量。

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PTB的研究人員在介電常數氣體溫度計上進行電容測量。

早在1998年,美國國家標準與技術研究院(NIST)的科研人員就提出使用電學測量法(容量測量法)對氦氣的氣體特性進行理論計算來測量壓力。然而,實現這一想法是一項重大挑戰。精確電容測量和高穩定電容器以及基于自然常數的理論計算一直未達到必要的水平。此外,與經典活塞壓力計也沒有實現充分的比對。

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PTB新研發的高精度活塞壓力計

在過去十年中,PTB逐漸克服了相關實驗障礙,借助重新定義溫度單位開爾文的研究,最終把經典活塞壓力測量和容量測量均提升至世界一流水平。首次實現700萬帕斯卡壓力,是正常壓力的七十倍,相對不確定度小于五百萬分之一。同時,與經典活塞壓力計進行了比對,這也是機械壓力測量和電壓力測量之間的首次比對。

容量測量法為高精度壓力校準提供了第二種方法。一方面,該方法以及與經典壓力標準的直接比對提供了驗證氦的理論計算可能性。另一方面,還可以用于測量其他氣體,促進氣體計量學的進一步發展。

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