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聲學氣體溫度計實現新溫度標準

第26屆國際度量衡大會(CGPM)已於2018年11月16日正式通過國際單位制(SI)之四個基本單位重新定義,其中溫度的基本單位克耳文將由自然界基本常數-波茲曼常數(k = 1.380 649×10-23 J K-1)來定義,而不是原先的物理實體-水三相點囊來實現,並將於2019年5月20日起正式實施。

溫度基本單位的重新定義,不啻將原子尺度的能量kT量測與巨觀尺度的溫度T量測聯繫起來。而實現溫度單位新定義即採用獨立於任何物質的熱力學原理直接或間接量測熱能kT,以決定溫度T的熱力學溫度測溫法 (又稱原級測溫法:primary thermometry)來實現。其中聲學氣體溫度計就是利用聲音在理想極限低壓氣體傳播的速度u0,與理想氣體分子運動的均方根速度VRMS之間所存在的比例關係設計而成。

在新溫度標準系統設計上,本中心與英國NPL合作,並委託其製作共振腔與外部隔熱罩、壓力艙。聲學氣體溫度計最主要的核心架構為共振腔(圖1),其外為雙層隔熱罩,然後壓力艙包圍著共振腔(圖2)。腔體內工作氣體需選用分子內沒有振動或旋轉影響的單原子氣體,因此通常使用高純度的氬氣(Ar)或氦氣(He)等惰性氣體作為工作氣體。共振腔殼體裝設聲學感測器、微波天線與囊型溫度計,以分別感測聲學共振頻率、微波共振頻率及確認隔熱罩內達穩定之均溫環境,用以實現新定義之熱力學溫度。

                                準球型共振腔外觀                           共振腔隔熱罩與壓力艙結構
                                           圖1 準球型共振腔外觀                                       圖2 共振腔、隔熱罩與壓力艙結構

 

此聲學氣體溫度計量測系統建置及不確定度評估完成後,將進行溫度單位-克耳文重新定義後的熱力學溫度T量測,且將與目前並行使用之國際溫標ITS-90溫度T90比較。且為了確保國際等同,已和聲學氣體溫度計領先羣的NMI (例如義大利INRiM)取得雙邊比對之合作意願,一起為國際計量發展與產業發展努力貢獻。

 

本文作者為工研院量測中心 / 蔡淑妃 

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  • 網站最新更新日期 : 2019/06/17
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