聲學(xué)溫度傳感器

聲學(xué)溫度計(acousticthermometer)聲學(xué)測溫技術(shù)具有測溫原理簡單、非接觸、測溫范圍寬（0~1900°C、可在線測量等優(yōu)點，現(xiàn)已應(yīng)用于發(fā)電廠、垃圾焚燒爐、水泥回轉(zhuǎn)窯等工業(yè)過程的溫度測量和控制。利用理想氣體中聲速的平方與熱力學(xué)溫度成比例的關(guān)系來測定熱力學(xué)溫度的溫度計稱為聲學(xué)溫度計，也稱為動態(tài)氣體溫度計。1965年美國國家標(biāo)準(zhǔn)局（NBS）用它建立了2?20K的熱力學(xué)溫標(biāo)。在絕熱情況下，聲波在氣體中傳播時遵守，其中歸=一u（務(wù)）s為絕熱體積彈性模量，P為氣體密度，作為理想氣體則有，如果工作氣體米用單原子分子He，米用單原子分子He，于是可得二2=苛*，其中M為氣體摩爾質(zhì)量，只要測得聲速C，即可求得熱力學(xué)溫度T。聲速的測量可以用一石英晶體作為換能器Q,在外電路以其諧振頻率v來激勵出聲波，在傳輸管的另一可移動的端缺處被反射，當(dāng)傳輸距離D為半波長的整數(shù)倍時，形成駐波，此時在石英晶體中電壓出現(xiàn)峰值，這時可調(diào)節(jié)反射器R，使距離移長D，出現(xiàn)n個峰值電壓，則有二=辦=鈿奪，于是溫度T就可測得。(4)(4)開展建立戶學(xué)溫度計來測量瑕耳茲亶常數(shù)和熱力學(xué)溫度方而的研究,本文也由此同顧和分析了聲學(xué)溫度計的洲童原理、研究進(jìn)展和發(fā)展趨勢'2基本原理聲學(xué)汨JS：計主要是通過精福陷琦在封閉心體內(nèi)盧波的傳遞忤質(zhì)來測扯熱力學(xué)溫度的方法。在某種汽體介質(zhì)中，由于聲波速度較快,熱量來不及向外界傳遞，國而可視為絕熱過程，聲波的速度可以莊下式表示：凱…噫】， ⑴式中x為聲速,m?s';p為比力，P心p為密度，履?m‘技為比容,n??kg"“為嫡,J?mol"，K氣對于實際氣體的狀態(tài)，可用維甲.方程表示成如下的形式：p=R.T(p+8(/*Cp3+…) (2)式中:B為第二維里系數(shù)，n?,mo「I;C為第三維里系數(shù)."moL,它們都是溫度『的幽數(shù)。R、為通用氣體常數(shù)結(jié)合式(1)和(2)可得到實際％體聲速在達(dá)式如下：2E,牛4,(T)A?(T)2 1(3)式中"■⑺和七(D分別為第:和第三聲學(xué)維甲系數(shù)，凡位分別為m'?k廣和廿寸?Pa"，它們都與維里系數(shù)布若密切的關(guān)系，7°為理想氣體的絕熱指數(shù),M為分子量心血氣在實驗中，如果能夠測量物質(zhì)在同一溫度不同壓力下的聲速，然后就每條等溫線按多項式的形式進(jìn)行擬合：c=q>+GP+4/)2*…式中沖、功利勺為擬合系數(shù)，比較式(3)和(4｝等式右邊的系數(shù)可得；y"RJ一廠=DV1匕=孑亍“由分子逐動論可知，單原子分了氣律的絕熱指數(shù)的精確值為y°=5/3,只要能精確地知道Ai.r卻勺就能確定通用氣體常數(shù)匕,,從而進(jìn)一步確定玻耳茲曼常數(shù)知仁利用式(5)還可以絕對地確定熱力學(xué)溫度c這神方法也是日前國際上測域通用弋體潛數(shù)最為常用的方法.刻量精度也最商。如果同時測雖兩個溫度下單原子氣體的聲速，則由式：6)可以得到：也=# ⑺C(Uh如果我們選擇水三相點做參考點.則町由上式用相對法來測量熱力學(xué)溫度U3研究進(jìn)展3.1沏St方法聲學(xué)祝度計因為測蚩聲速的不同而有所區(qū)分,主要分為變程和定程陽種。在￥期主安以圓柱形變程干涉法為主，這神方法在封閉腔體內(nèi)安裝兩塊平行板，在平板上分別安裝發(fā)射和接收聲波信號的換能咎，發(fā)射端固定，接收端可以移動來接收信號，但是這種方法測量精度比較低，需要修正位移帶來的偏也定程法是通過測量固定腔體內(nèi)穩(wěn)定的十涉波信號從而得到聲逮的一種測坦方法，避免了變程干涉法中位移的測量偏差仁這也是目前建立聲學(xué)溫度計最為常用的方法31894Rayleigh111就得到了理想狀態(tài)下不同形狀內(nèi)的波動方程的精確解，但是安在實際中應(yīng)用還需要一定的非理想因素修引。1973年,Coklajghu，JilE明球共鳴聲學(xué)法比圓柱形的測量聲速的精度更高，這也為后來建屯定程的球共鳴法獎定了基礎(chǔ)°1978年,M山⑶對共振駐波的測量進(jìn)行了詳細(xì)分析，并堤出了一些用于表述注波頻率信號的城性和非線性數(shù)值算法，其知法能夠很精確地再現(xiàn)測蜃的背景信號、聲波頻率和寬度。1979年,Moldovc尸詳細(xì)閘述了球共嗚聲學(xué)法研究材料熱物性的相關(guān)理論利相應(yīng)測員系統(tǒng)的誤差浬論，使球共鳴聲學(xué)法建立聲學(xué)溫度計越來越接近實際。1982年,MoIMe/進(jìn)一步建立了球共嗚器.在測信的準(zhǔn)確度上有很大的提高，這就使得利用域共嗚聲學(xué)法建寸聲學(xué)溫度計成為了可能。?cW6"71對球體加工時的非理救性對圜屋徑向和非徑向獨宰的影響進(jìn)行了深入的探討，并給出了相應(yīng)的計算公式°如果球體半徑加工能到20呻，則對頻率的影響非常小°對(0,2)相位的琢率影響只有0.7x10",對(0.3)到(0,6)相世的影響都小于0.1x10%1986年,Mohkg引進(jìn)一步總結(jié)了8神非理想因素對測量結(jié)果的影響和修it方程,包括然邊界層影響、粘魔邊界層影響、主作能筮耗散、殼體和氣障振動的禍合、璋殼上的奸孔.非理想球形，上下半球的結(jié)合縫和內(nèi)部束柜的粗糙度、進(jìn)一步完善了球共鳴聲學(xué)法的測督璉論「奠定了后來聲學(xué)混度計醐量的?理論模型，的熱邊界層的影響逐行r洋蝴的探討，并出此修正了冠氣在273-16K卜的不同壓力卜■的聲速.取符『不錯的效果》雄如卻SW贏^廁褪出用聲波和微波在建形膠體鈉共振頻率雅烈危聲建和）七速比『從而珂以提高沔笙聲速.■熱力學(xué)潟度的精度.并從理論上分析了用儲波替代水銀洲量球萍特性尺寸的訶能性，19噩年」Mother；J］在Ph）y Lett雜志上楸道了他用建成的聲學(xué)溫度甘測量通用氣體常數(shù)R=8.314471±0.000014J^F1*K-1（1,7x皴片魏瑛堂數(shù)知*〈L.3明6貝3±0002S）xI點，啟點乩危：1『勺利味幫芬■踱耳覦曼常矗d=怎670399m0000OU）a10"^-m-2K-^6.Sx礙"）的結(jié)果?這也是到目前為止最為精確的演（St結(jié)果閔。隨后Mo血忡m】其養(yǎng)細(xì)給出了其陶里基本物理僧教的完整過程”其球.共鳴腔如圖1,所示?？诜沃軼 、0電器I段形共鳴腔示意闋*他還逃一步由此調(diào)量了鐮W相點的熱力學(xué)S4度w,敝得了非常精確的結(jié)果□他在確宏珠體半徑時.是用水魂薰球庫體積的方法魂定的帝g童體段的不確定度要小于0#*出\跛彌/田和MoklyW也提出利用微波技術(shù)來倒最成體的平役和體積.為聲學(xué)混度計向更高耕度萬都發(fā)履培田『方估L腿收嶼還用愀波究球腔中的共振來賓際刈量r在不同溫度F球排體租的魏膨脹,其結(jié)果與水恨測量的讖果取艱了一致，并指出用微波敏扯球體體枳的不確梭度為30x1。-七還有進(jìn)?步提高的訶能匚在網(wǎng)0瑋怔諷忡/叫在英國也建立了?、窘聲學(xué)沮度計裝置，測禽半徑利用的就;是微波口但是對于球體而言，微波在某幾個相位是該登的，這也結(jié)微戒測蚩球體特性方面的應(yīng)用帶來的障礙心N1ST&&也jjpU⑴等氏進(jìn)一步設(shè)i［的新欖佐聲器,擴(kuò)展了耳聲學(xué)溫度甘的測量峋Htft用啊lg-步提出了一樹壯球形的方法，用…個近似椅聯(lián)閔共陶器.來替代原有的球休「這樣不僅可以很容易地分開沔需桁位的微波.而且對步波的財量也有很大的改進(jìn)勺方伽年，Pint郛Md&ve?"利用這個思想建立了相底的聲學(xué)溫度山裝置、囹2結(jié)出了俺們設(shè)計的準(zhǔn)嫌形的彩狀，也是山h卜-兩部分朝成，但是在赤道利中何部分窯了兩個典拄帶,圓在帶分別與球殼相切。在形狀I(lǐng)?.來說就呈4個四分之-，的球亮分別嵌入到兩個圓拄環(huán)中口這樣的設(shè)計可以很容易分井不同相位的微渡,而且可以避開測￡￡球體得性尺寸的麻燎，在輸?量熱力學(xué)溫度HW楓需要墟定點波和微波頻率的比率蛾可以得到口麗衛(wèi)雁球形共鳴?驗示意國‘安3.2刑景的麒據(jù)精硼的熱力學(xué)溫度的數(shù)據(jù)是人們認(rèn)識物.質(zhì)客觀世界的基冏,也是建立新國際暇際的叢礎(chǔ)#畢竟洌?晨林力學(xué)鷹度是，項非常繁瑣和十分雄縮的工作.到日前為I匕也只有為數(shù)不多的幾個發(fā)迅國家的計最標(biāo)危實豌室能夠?qū)崿F(xiàn)。Phimh：m首先提出了用圓柱形共鳴腔建立聲學(xué)溫度計的想法，山聲波的波長來確定聲速。Colclough；SI利用國柱形.共嗚腔建立r-?套聲學(xué)溫度計裝置，并測量r4.2-20K的熱力學(xué)溫度，其木偷定度為14rnKoColclough也利用這套裝皆測里水三相點下的聲速?并由此瀏得通用氣體常數(shù)R.利用球共鳴聲學(xué)法建立盧學(xué)溫度計米洲置熱力學(xué)溫度首光是從美國NBTJF始的，Moldove/El在1988年用一個3L的不銹鋼共嗚器重新啊最了通用氣體滿數(shù)R和玻耳茲曼常數(shù)處,其泌髡不確定度達(dá)到1.7x10技.所用的T質(zhì)為能，共鳴器的內(nèi)徑大約為178mm,外徑大約為2J6mm.他逐進(jìn)-步測51了鐐?cè)帱c熱力學(xué)溫度。1999年，Moldovcr司測量了在217,234,253,293和303K附近的熱力學(xué)溫度，ftk用微波技術(shù)測靖了球共詢腔的體積膨脹，在洲堂時用微波的發(fā)生和接收11皆換聲波的發(fā)生和接收口,單獨測量其體積膨脹的變化。英國的Ewing和Te血炒建立的聲學(xué)溫度計的共鳴腔所用的材料是鋁,球殼內(nèi)徑約為80mmJ早度為10mm,他們?yōu)g策了T=90-300K之間的熱力學(xué)濕度，所用的恒溫槽在30min內(nèi)穩(wěn)定性為±0.2tnK,在24小時內(nèi)為*2mK,所用的聲柴換能器為白彳丁設(shè)計的電容式傳聲器'2003年,Sg盤州對NTST原有的聲學(xué)溫度計的球共鳴腔進(jìn)行了改也重新設(shè)計了聲學(xué)換能器，提高了其工作創(chuàng)溫度范圍，并把聲波和微波的發(fā)生劇和接收器同時裝于球共鳴腔上,能同時測玷聲波和微波的共振,球體體積約為3L,他由此削母了273K到505K的熱力學(xué)溫度，破大的不確定度為3mK,4年，意大利計量院（IMGC）的所視國0⑶等建立了一個不銹鋼的球共鳴腔，體積大概在3L左右,測量了從束三相點到S80K間的熱力學(xué)溫度°他的球共嗎腔的聲波和微波的發(fā)牛器及接收器都在一起，與MMJowr在1988年的設(shè)計一樣°實驗前光獨立渴量球體的體積膨脹特性,然后再逸量聲波的速度以獲W熱力學(xué)溫度值。IMGC所用的恒溫槽能在室溫到20（凡范圍內(nèi)使穩(wěn)定性達(dá)到±>15mK。2006化.NIST的Pitm等人㈣建立了一個銅的準(zhǔn)球形共嗎器.內(nèi)徑約為100mm,外徑為120球共嗚腔上有6個開孔，兩個用于聲波的測量,兩個用于微波仞測量，一個用于充入氣體，一個用于放氣。并測量了低溫下的7K到273K的熱力學(xué)溫度，取得了令人滿意的結(jié)果。表1總結(jié)r近年來不同機(jī)構(gòu)用球共鳴聲學(xué)法涸量熱力學(xué)溫度結(jié)果，其中九心為測址熱力學(xué)溫度的最大偏差，圖3給出了熱力學(xué)溫度和FTS-90溫標(biāo)間的差別.其中*.為水三相點溫度”表1不同機(jī)構(gòu)測￡1媒力學(xué)溫度g結(jié)第一作者機(jī)構(gòu)年份共嗎器材料測皿說區(qū)/K測里點數(shù)MoldoverNIST1988球形不使錮30310.5MoklovrrNIST1999球形不銹鋼2P-3O360.66EwingUCL2000球形90-30081.3StnxiseNIST2003球形鋁273?50533Benw北ilvIMGC2004球形不傍闞230-380101.88PtarNIST2006準(zhǔn)球形無餐制卜234140.813.3最新研究方向聲學(xué)溢度計測量玻耳茲髭常數(shù)和熱力學(xué)沮度具有最高的精度陶，表2總結(jié)了不同基準(zhǔn)溫度的溫度計渺星玻耳茲曼常數(shù)的現(xiàn)有精度和到2011年的預(yù)期精度。包是定義溫度單位開爾文需要玻耳茲曼常數(shù)測最精度達(dá)到0.1x10*目前是1.7x10仙】）,因此口前在國際計量局（BIPM）巳經(jīng)正式建立了討論小組定朔討論聲學(xué)溫度計以及測屋:玻耳茲曼常數(shù)的研究進(jìn)展,各個國家部致力于在2011年以前把聲學(xué)溫度計瀏最玻耳慈受街?jǐn)?shù)的惰度提高到1x10氣Moldove/^'總結(jié)了他在1988年測量的玻耳茲曼常數(shù)的結(jié)果，并提出了在體積測最、波度測靖、51氣純度和理想氣體聲速方面進(jìn)行改進(jìn)，在2008年前可以把測量精度提高到0.97x10=他還以?步甘論了用準(zhǔn)琢形測魚玻耳茲曼常數(shù)的可能性間°意大利計量隅的Marvarino29也總靖了在恒溫槽的溫度控制和鈕電阻測溫方面的研究避展.Gav&n等Mf）報道了其測量玻耳茲岌常數(shù)的進(jìn)展和討論了球體定位對測最精度的影響。法國的Pi虹心對測量球體體積的3神方法（微波、坐標(biāo)測雖儀和正十三烷）進(jìn)行了討論°對于一個0.5L的準(zhǔn)球形，微波測量體積鼠高可達(dá)3xIO"用正|.三烷測魚最高可達(dá)到2x10。要把玻耳茲受常數(shù)的灘量桁度提高一個數(shù)量級，最主要在于對于溫?度測量、恒溫控制和體枳測髭這兒個方面，這也是目前各個國家計量?3熱力營溫度與ns-90間差別表2不同瀏雖成耳茲曼常數(shù)的不琬定度,嵌 X10-6基準(zhǔn)溫度計現(xiàn)有精度20H年預(yù)期精度聲學(xué)溫度計21介電常數(shù)弋體濕度計152全輻射溫度計25光譜輻射沮度計—50噪聲沮度計10準(zhǔn)球形共振方法4010折射率，體溫度計30030多普勒增寬溫度計800104結(jié)論和展望聲學(xué)溫度計是測鼠玻耳茲曼常數(shù)和熱力學(xué)溫度的成為精確的方法之一，隨著對熱力學(xué)溫度測量水平要求的提高，利用準(zhǔn)球形的共的腔來測最熱力學(xué)溫度，尤其是測童玻耳茲曼常數(shù)巳經(jīng)成為計量學(xué)的研究熱點和難點。利用準(zhǔn)球形共鳴腔來壯立點學(xué)溫度計來測量基本物理常燹和熱力學(xué)溫度也是中國i卜量科學(xué)研究院下一步的研究方向之[金考文獻(xiàn)]J)fhyleifhJWS.TTwoiydSjuixI[M].NewYoA:Dover,1阿21ColcloughAR.SyAStnulietTroninpnrrwywxxi奴Oicrmcmetn-inthenr薩2K-20K[jj.Mrtwlogia.1973,9：75-98.MehlJB.Analysisolir^huuhx*nunding_wavei?：;teufe-nwnts[j)./物uw&eKm,1978,64(5〉：152S-1525.MoMrivcrMR,WaxnxuiM.GreenspanM.Sphericalacoustic fortanperahurandthcrnwphysicalpropertymeasurementsfJ.HigkTmp-HighPressf1979,11:73~85.[51MiqucuCtMrndibourcB,Ghk?版1C,Lad心cJ.ModellingnfthesurfacetensionofIxnaiyandtemar>,mixtureswiththegrodisttheoryoffluidinterfhc&[JJ? 神ihb?ria,20M,218：189-2(X5.[61MehlJB.Acomticrcaonanoe血qumdeeofde￡am?edgpberi.calraonaiofs,JJ.JAcouflSocAm,1982,71(5):1109-1113..7]MthlJB.Actn^liere^onanoefrequenciesofdeformed3phwi-癡rvMoruu<KK.Fl[J]J/Uoi/AfSocAm,1986,79(2)：278-285.?_8jMqMovttMK,WehlJR,M.Cas-filialcalrespnag：Theoryanicxpciinjem.j].J.-kvas#SocAm,1986,79(2)：253-272.MB,RfcJilaUutnML.TruslerJPM.IK?lEipeni-luiv-jitfnptGbrtandthetheory<rfthethermalboundary*layiTfc>ra早Sealgvnatvr.Sprrdof—undmett273.1