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科学家们开发出一种新的压力测量方法

来源:环球科学

科学家Christof Gaiser在PTB的介电常数气体温度计旁,该温度计被用于测量电容。 (图片来源:PTB)

德国联邦物理技术研究所(Physikalisch-Technische Bundesanstalt, PTB)的科学家们已经开始使用一种新颖的压力测量方法了,这一方法参考了“新”开尔文研究工作的成果。除了新颖以外,它也是仅取决于自然常数的一种初级方法。作为一种独立的测量方法,它可以被用来校准PTB的压力表——那是世界上最精确的压力测量仪器,它们奠定了PTB在相关领域的领导地位。

以前,校准这类仪器的最大范围只有100,000帕斯卡,而现在能达到700万帕斯卡。在首次进行机械和电气压力测量之间的比较之后发现,相对不确定度小于5×10-6。此外,这种新方法还为研究氦(研究基础物理的重要模型系统)提供了独特的可能性。科学家们在近期《自然物理学》中报道了他们的工作。

你是否曾经被穿着细高跟鞋的人踩到过?如果你记得这种感觉,你可能已经想到了压力对应于单位表面的力,或者更准确地说,它是垂直施加到表面上的力的结果,这也是最精确的压力测量方法所依据的原理。使用压力平衡器时,可以通过确定施加在活塞上的重力来测量确切已知表面的活塞下的气体压力。PTB的压力平衡仪测量精度高、制造难度大,是目前世界上最精确的活塞式压力表。

但是,在某些压力范围内,即使是最佳的压力平衡也无法达到计量学家所希望的精确度。长期以来,研究人员一直在努力开发替代压力测量方法。“我们的新方法实际上非常简单:它是基于电容法来测量被测气体氦的密度的。这意味着我们可以测量气体在多大程度上改变了特殊且高度稳定的电极之间的电容”,PTB的物理学家Christof Gaiser解释说。该方法仅涉及氦气的一个基本属性,通过介电常数就可以表示;因此,这是一种初等方法。

因此,Gaiser和他的同事们首次在实践中成功实现了突破性的理论方法。早在1998年,美国计量学院NIST的Mike Moldover就提出了利用氦气气体特性的理论计算结合电学(电容)测量来测量压力的想法。然而,在接下来的几年中,这个想法被证明是一个“真正的挑战”。因为这个仪器所要求的精密电容测量、高度稳定的电容器以及仅使用自然常数的理论计算(从头算)都还无法达到所需的精度。而且,也不可能将它们与常规压力平衡进行精确比较。

 

新开发的高精度压力平衡仪之一。 (图片来源:PTB)

在过去十年中,PTB扫清了所有影响试验的障碍。由于这些试验是在基本单位开尔文采用常数定义的适用范围下开展的,直到今年的5月20日研发人员才通过增强工作单元的方法完成极限测试,无论是压力平衡法还是电容法,这一突破将传统测量方法的测量效果提升到了一个史无前例的水平。

得益于全球不同研究小组的最新理论计算,新设备现在已经可以测量700万帕斯卡(即正常压力的70倍)的压力了,相对不确定度小于5×10-6。通过与常规压力天平进行比较,可以确认其测量结果。这是在机械和电气压力测量相等的基础上进行的首次比较。

图左:常规压力测量,压力平衡根据pPB = Fg / Aeff(PB:压力平衡; g:重力; Aeff:活塞/气缸系统的有效表面);图右:新的电气方法:在已知温度T下测量气体所引起的电容C(T)的相对变化,可以通过校准电阻温度计R(T)直接与气体压力联系起来。介电常数和气体粒子的相互作用进入所需的从初始值算起:pab-initio(C,T,Gasab-initio) (图片来源:PTB)

因此,现在可以使用第二种方法来高精度地校准压力。该方法以及它与常规压力标准的直接比较,一方面提供了验证氦理论计算的可能性,另一方面,它们还允许测量其他气体,因此,理论和气体计量学都将得到进一步的发展。

翻译:邱家曦

审校:罗广桢

引进来源:德国联邦物理技术研究所(PTB)

 

 

本文来自:环球科学
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