【摘要】：溫度表征物體的冷熱程度,也是國際單位制中基本量之一。日常使用的溫度計都是依據(jù)某一特定物質(zhì)的性質(zhì)隨溫度變化的規(guī)律進行測量,這樣會使所測溫度對該物質(zhì)有所依賴。1848年,英國物理學家威廉·湯姆森(開爾文勛爵)由熱力學第二定律定義了熱力學溫度,熱力學溫度與測溫物質(zhì)無關,從根本上保證了所測溫度的根本性與絕對性。但直接測量熱力學溫度難度較大,ITS-90國際溫標是一種協(xié)議性溫標,是對熱力學溫度的逼近。近些年,隨著聲學測溫研究的不斷深入,發(fā)現(xiàn)新的熱力學溫度測量結(jié)果與國際溫標ITS-90定義值發(fā)生了偏差,并且隨著溫度的上升而增大。目前,國際上急需600K以上新的熱力學溫度測量結(jié)果。氣體聲學溫度計是當前測量熱力學溫度不確定度最小的方法,其測溫原理是基于理想氣體的聲速與熱力學溫度的關系。應用氣體聲學溫度計開展600 K～1358 K熱力學溫度測量是目前國際溫度計量界的熱點方向之一。然而,現(xiàn)有聲學傳感器難以在400 K以上工作,需采用耐溫聲波導管將聲學信號引入和引出聲學共鳴腔。聲波導管的設計是影響聲學信號信噪比和能量品質(zhì)因數(shù)的關鍵因素。本文提出了采用變徑聲波導管降低聲波的能量損耗和擾動的方法,建立了變徑聲波導管的衰減和擾動模型,分析了聲學信號在不同尺寸聲波導管內(nèi)的能量衰減和導管對圓柱腔聲學共振頻率和半寬的擾動,獲得了優(yōu)化尺寸,實驗測試驗證了模型具有一定的合理性。主要內(nèi)容和成果如下:(1)根據(jù)現(xiàn)有單一內(nèi)徑聲波導管聲場能量特性理論及擾動特性理論,創(chuàng)新地建立了變徑聲波導管聲場能量及聲場擾動模型。給出了變徑聲波導管的優(yōu)化設計流程,從理論上得到了 300 K,101 kPa下二階變徑聲波導管的最優(yōu)設計尺寸;內(nèi)長為80 mm圓柱腔體軸向共振頻率下聲波傳輸能量衰減因子0.3,聲場頻率半寬擾動均小于30 ppm的理想效果。(2)基于二階變徑聲波導管模型拓展建立了多階梯度乃至錐形連續(xù)的變徑聲波導管內(nèi)聲場能量衰減及聲場擾動模型,計算分析表明,錐形導管在單一軸向聲學模式下優(yōu)于二階變徑導管。其中,利用maple軟件編寫了相關計算程序,可實現(xiàn)衰減和擾動的自動化計算。(3)制造了不同尺寸變徑聲波導管,與聲學共鳴腔、聲學頻率測量系統(tǒng)、自動控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)形成完整的測量系統(tǒng),在293 K,101kPa條件下開展了變徑聲波導管圓柱腔內(nèi)聲學共振實驗研究,三組聲波導管測量結(jié)果與理論計算基本一致,說明了建立的模型和優(yōu)化計算程序的合理性及準確性。本文提出的變徑聲波導管優(yōu)化設計方案和衰減-擾動分析模型為聲學法精確測量高溫區(qū)熱力學溫度提供了理論基礎,也將為國際溫標的修訂及玻爾茲曼常數(shù)測定研究提供思路,為高溫氣體聲學溫度計的開發(fā)提供了技術(shù)支持。
【學位授予單位】：北京化工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TH811
【圖文】：

根據(jù)圖中展示結(jié)果顯示，可知ＩＴＳ－９０國際溫標與更高水平的基準聲學溫度計測量逡逑熱力學溫度的結(jié)果存在明顯差異，在５５２邋Ｋ，處其結(jié)果偏差已經(jīng)超過１０邋ｍＫ，己經(jīng)達逡逑到了國際溫標不確定度的上限值，而在５５２邋Ｋ至１３５８邋Ｋ的偏差將會更高，甚至達到逡逑幾十毫開爾文或者更高［１１１，溫度測量儀表與真實熱力學溫度之間的差異隨著溫度量傳逡逑體系到達用戶會被逐級放大。逡逑因此開展６００邋Ｋ以上高溫區(qū)熱力學溫度的測量研究能夠補充高溫區(qū)熱力學溫度測逡逑量結(jié)果，為ＩＴＳ－９０國際溫標的修訂提供高溫區(qū)數(shù)據(jù)支持，也能夠?qū)⒒鶞史y量熱力學逡逑溫度的測溫范圍擴展至更高溫區(qū)，這對于Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ常數(shù)測定、開爾文單位的重新定逡逑義都具有重要的科學意義Ｐ，｜１］，將基準準聲學溫度計的測溫范圍將更高溫區(qū)的提升，逡逑也是我國在計量基準方面創(chuàng)新能力的提現(xiàn)。逡逑

度計的不斷發(fā)展，它己經(jīng)成為當前世界上測溫范圍之一。逡逑ｉｐｐｌｅ［７３＾（美國國家變準技術(shù)研宄院）在前人的基礎器的方式進行了邋６００邋Ｋ（最高提高至６３３邋Ｋ）高溫區(qū)的見圖１－３，獲得了良好的實驗結(jié)果，其使用的腔體波導管的引入對腔體會造成輕微擾動，聲波導管可用ｈａｎｇ等％７５］（中國計量科學研宄院）在高溫環(huán)境下將聲行了聲波導管的聲學共振頻率相應特性實驗，對不同應特性進行了相關研宄，分析了不同內(nèi)徑的聲波導管。逡逑ｔｆ？ｅｎｒ！0ｍｅｔｅｒ逡逑ｗｅＪＩｇａｓ逡逑

邐（２－４）逡逑ｕ邋ｄｒ逡逑其中，表示聲波聲壓，%獎硎糾綻顧闋櫻侗硎舊伲諶繽跡玻彼鏡腦插義現(xiàn)晗迪麓嬖諶縵鹿叵擔哄義希螅插澹卞澹徨澹澹卞澹幔插澹澹幔插義希皺五五澹楨危薄邋危卞濉邋危ǎ玻擔╁義希洌潁澹蟈澹洌蟈澹潁卞澹洌溴澹洌義轄勾郵庇蚍擲肟傻茫哄義希穡ǎ潁簦劍穡ǎ潁澹椋跡徨危ǎ玻叮╁義仙鮮街�，／为古擇频率，《二２；}瞧德剩蟈澹藉澹潁ǎ潁茫玻┪倉晗抵械南蛄�，辶x媳硎駒冢虼Φ納埂ｅ義轄劍ǎ玻叮┐朧劍ǎ玻矗┲鋅傻茫哄義希保村義

本文編號：2764261