Pokroky v akustické termometrii

Abstract

Tato práce se zabývá teorií a praxí měření teploty pomocí akustických vln. Stručně je popsána metrologie teploty v České republice a následně jsou představeny principy stávajících primárních teploměrů spolu s teploměrem, který k měření teploty využívá zvuk. Po krátkém seznámení s principy a metodami akustické plynové termometrie je popsán vývoj praktického akustického teploměru, spolu s výsledky měření a celkovým rozpočtem nejistot měření. V druhé části práce jsou prezentovány snahy o primární akustickou plynovou termometrii s cílem vrátit realizaci jednotky kelvin zpět do České republiky. Praktický akustický teploměr na začátku práce používá jednoduchou metodu impuls-echo k určení doby průletu krátkých 75 kHz akustických pulzů, procházejících vlnovodem za účelem určení rychlosti zvuku a výpočtu teploty v okolí tohoto vlnovodu z nerezové oceli. Po úvodní kalibraci je mechanická stabilita použitého měniče zvýšena víkem, které spojuje všechny mechanické části teploměru k sobě a umožňuje práci s jednoatomovým plynem. Díky zlepšení stínění a zemnění systému se stalo možným přesně změřit vliv frekvence. Analýza výsledků tohoto měření pak vedla ke změně pracovní frekvence a následné změně použitého vlnovodu. Poté byla testována účinnost interpolace, což vedlo k desetinásobnému zlepšení rozlišení měření času. Aby byl systém přenosný, byl původní statický měřicí systém nahrazen kombinací signálového generátoru a osciloskopu. Nakonec bylo provedeno rozsáhlé měření teplotní a tlakové závislosti v rozsahu (-80 až 220) °C, což ukázalo i maximální měřitelnou teplotu systému. Poslední část věnovaná odhadům celkové nejistoty měření naznačuje, že určení délky zůstává největším příspěvkem nejistoty měření. To je typické pro praktické akustické teploměry a pravděpodobně způsobuje odchylku mezi naměřenou termodynamickou teplotou a teplotou etalonového platinového odporového teploměru. Prototyp teploměru je unikátní konstrukcí, využívající elektrostatický měnič, který umožňuje použít jeden mikrofon pro vysílání i příjem akustického signálu bez nutnosti využití složité podpůrné elektroniky nebo časové synchronizace mezi signály. Dalším cílem (v části 5.2.1) bylo sestavení vysokoteplotní aparatury v italském metrologickém institutu INRiM a provedení akustického měření při zvýšeném tlaku nad 430 K pro získání izotermy a demonstrace účinnosti této aparatury a akustické plynové termometrie při vysokých teplotách. Po popisu systému jsou uvedeny výsledky předběžných akustických měření v průběhu sestavování aparatury, následovaných měřeními v argonu do 550 K a izotermou při 294 K mezi 100 kPa a 430 kPa, prokazující potenciál vysokoteplotní akustické plynové termometrie. Související stáž v institutu INRiM navíc umožnil zavedení koncepce akustické plynové termometrie v Českém metrologickém institutu s předběžnými měřeními popsanými v části 5.2.2. Všechny řídicí a měřicí aplikace v rámci této práce byly vytvořeny v prostředí LabView.

This thesis deals with the theory and practice of temperature measurement using acoustic waves. The temperature metrology in the Czech Republic is briefly described, and then principles of existing primary thermometers are presented along with the thermometer using sound. Following short introduction to the principles and methods of acoustic gas thermometry, the development of the practical acoustic thermometer is described and complemented by measurement results and total measurement uncertainty budget. In the second part of the thesis, the primary acoustic gas thermometry efforts with an objective of returning the kelvin unit realisation back to Czech Republic are shown. At the beginning of the work, the practical acoustic thermometer uses the simple impulse-echo method to determine the time of flight of short 75 kHz acoustic bursts travelling through a waveguide in order to determine the speed of sound and calculate the temperature of the environment around the stainless-steel waveguide. After the initial calibration, the mechanical stability of employed transducer is enhanced by the lid, fixing all the mechanical parts of thermometer together and allowing work with monatomic gas. Improvement in shielding and grounding allowed the influence of frequency to be measured. The analysis of the results of these measurements led to a change in the working frequency and a subsequent change of the used waveguide. The efficiency of an interpolation was then tested, leading to ten-times enhancement in time measurement resolution. In order to make the system portable, originally static measurement system was replaced by a combination of waveform generator with oscilloscope. Finally, a comprehensive temperature- and pressure- dependence measurement was performed in the range of (-80 to 220) °C, showing the upper temperature limit of the system. Last section dedicated to the total measurement uncertainty estimations suggests that the length determination remains the largest measurement uncertainty contributor. It is typical for practical acoustic thermometers and probably causes the deviation between measured thermodynamic temperature and temperature of standard platinum resistance thermometer. The thermometer prototype is unique in its design in which one electrostatic transducer (in this case one measuring microphone) is used both to transmit and receive acoustic signal without the need of complex supporting electronics or time synchronisation between signals. Another objective (in Section 5.2.1) was to assemble the high-temperature apparatus in the Italian Metrological Institute INRiM and to perform the acoustic measurement at the elevated pressure above 430 K to obtain an isotherm and to show the effectiveness of this apparatus and acoustic gas thermometry at high temperatures. After the description of the system, results of preliminary acoustic measurements during assembling the apparatus, followed by acoustic measurements in Ar gas up to 550 K and the isotherm at 294 K between 100 kPa and 430 kPa are shown, demonstrating the potential of high temperature acoustic gas thermometry. In addition, the corresponding training in INRiM allowed the beginnings of acoustic gas thermometry at Czech Metrology Institute, with the preliminary measurements described in Section 5.2.2. All the control and measurement applications in this research were created in the LabView environment.