本實(shí)用新型涉及一種基準(zhǔn)裝置，特別是涉及一種定壓溫度測(cè)量基準(zhǔn)裝置。

背景技術(shù)：

熱力學(xué)溫度是國(guó)際單位制七個(gè)基本單位之一。低溫尤其是在24.5561K以下溫區(qū)的高準(zhǔn)確度熱力學(xué)溫度測(cè)量，對(duì)于前沿科學(xué)的研究、科研裝備的研制、國(guó)防安全的保障和高新技術(shù)的發(fā)展具有重要的支撐意義。溫度量值溯源系統(tǒng)按照測(cè)溫準(zhǔn)確度從高至低，可依次劃分為基準(zhǔn)裝置(準(zhǔn)確度1mK)、標(biāo)準(zhǔn)裝置(準(zhǔn)確度3mK)和工業(yè)應(yīng)用裝置。目前，在0.65K-24.5561K溫區(qū)，建立熱力學(xué)溫度測(cè)量基準(zhǔn)裝置主要有三種方法：氣體定容法、氣體介電常數(shù)法和氣體聲學(xué)法。

氣體定容法是根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，在定容條件下，溫度的測(cè)量準(zhǔn)確度直接取決于系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)絕對(duì)壓力測(cè)量的準(zhǔn)確度和非理想修正等因素。絕對(duì)壓力測(cè)量的準(zhǔn)確度只是10項(xiàng)準(zhǔn)確度評(píng)估項(xiàng)中的1項(xiàng)，但權(quán)重最大。相對(duì)于氣體定容法，氣體介電常數(shù)法準(zhǔn)確度除了取決于絕對(duì)壓力測(cè)量還取決于電容橋的測(cè)量準(zhǔn)確度。目前，國(guó)家壓力基準(zhǔn)在0.1MPa-10MPa范圍內(nèi)的測(cè)量不確定度為21ppm(1ppm＝10^-6)。若想在5.0K-24.5561K溫區(qū)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確度優(yōu)于1mK的測(cè)量，在溫度為24.5561K時(shí)，測(cè)溫總準(zhǔn)確度應(yīng)控制在41ppm以內(nèi)。因此，受絕對(duì)壓力測(cè)量精度的限制，很難利用氣體定容法和氣體介電常數(shù)法建立熱力學(xué)溫度測(cè)量基準(zhǔn)裝置。

氣體聲學(xué)法利用理想氣體聲速與熱力學(xué)溫度之間的關(guān)系開展測(cè)量，相對(duì)于前兩種基準(zhǔn)方法，氣體聲學(xué)法降低了對(duì)絕對(duì)壓力測(cè)量的依賴，通過測(cè)量特定腔體內(nèi)氣體在不同壓力下的諧振頻率(聲波諧振頻率測(cè)量)和腔體尺寸(微波諧振頻率測(cè)量)得到聲速，進(jìn)而外推至理想氣體狀態(tài)。該方法集成了聲波諧振頻率測(cè)量以及微波諧振頻率測(cè)量，是在該溫區(qū)測(cè)量熱力學(xué)溫度準(zhǔn)確度最小的方法，但是由于低溫下恒溫系統(tǒng)的噪聲對(duì)聲學(xué)測(cè)量產(chǎn)生不可忽略的影響，使得其測(cè)量難度大大提高。

綜上，國(guó)際上已有的三種熱力學(xué)溫度測(cè)量基準(zhǔn)方法各自具有優(yōu)缺點(diǎn)，其中氣體定容法和氣體介電常數(shù)法準(zhǔn)確度依賴于絕對(duì)壓力測(cè)量水平，氣體聲學(xué)法準(zhǔn)確度在低溫測(cè)量時(shí)易受環(huán)境噪聲影響。當(dāng)前，絕對(duì)壓力測(cè)量準(zhǔn)確度較低，很難實(shí)現(xiàn)優(yōu)于1mK的測(cè)量準(zhǔn)確度。因此，要獲得高準(zhǔn)確度熱力學(xué)溫度測(cè)量必須在測(cè)試原理上進(jìn)行創(chuàng)新。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本專利旨在解決傳統(tǒng)氣體定容法和氣體介電常數(shù)法依賴于絕對(duì)壓力測(cè)量水平以及氣體聲學(xué)法在低溫時(shí)易受環(huán)境噪聲影響等問題。

本實(shí)用新型提供一種定壓溫度測(cè)量基準(zhǔn)裝置，其包括：制冷機(jī)，其包括至少一個(gè)冷頭；壓力腔，所述制冷機(jī)對(duì)所述壓力腔進(jìn)行制冷；控壓管路部分，其對(duì)所述基準(zhǔn)裝置中的工作氣體進(jìn)行控壓，在所述壓力腔中設(shè)置有準(zhǔn)球型微波諧振腔，所述準(zhǔn)球型微波諧振腔與控壓管路部分相連接。

其中，所述工作氣體為高純度氦氣。

其中，在所述壓力腔上設(shè)置有壓力腔法蘭。

其中，在制冷機(jī)與零級(jí)法蘭之間設(shè)置有彈簧減震器。

其中，所述制冷機(jī)為低振動(dòng)的脈沖管制冷機(jī)。

其中，還包括至少一個(gè)防輻射屏。

本實(shí)用新型的定壓溫度測(cè)量基準(zhǔn)裝置通過將絕對(duì)壓力測(cè)量轉(zhuǎn)換為相對(duì)壓力控制，使得壓力測(cè)量不確定度由21ppm降低至3.4ppm(1ppm＝10^-6)，克服了傳統(tǒng)氣體定容法和氣體介電常數(shù)法依賴于絕對(duì)壓力測(cè)量的劣勢(shì)；通過微波諧振測(cè)量技術(shù)，可以獲得比測(cè)量絕對(duì)壓力更高的精度，微波諧振測(cè)量不確定度可達(dá)2ppb(1ppb＝10^-9)；通過采用壓力腔與準(zhǔn)球型微波諧振腔的連通結(jié)構(gòu)解決準(zhǔn)球型微波諧振腔在真空和充氣狀態(tài)下的變形問題，降低了非理想因素的影響。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型的定壓溫度測(cè)量基準(zhǔn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

為了便于理解本實(shí)用新型，下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的實(shí)施例進(jìn)行說明，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，下述的說明只是為了便于對(duì)實(shí)用新型進(jìn)行解釋，而不作為對(duì)其范圍的具體限定。

圖1為本實(shí)用新型的定壓溫度測(cè)量基準(zhǔn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。該定壓溫度測(cè)量基準(zhǔn)裝置包括：制冷機(jī)1，所述制冷機(jī)1為低振動(dòng)的脈沖管制冷機(jī)，為壓力腔26和準(zhǔn)球型微波諧振腔31提供高效穩(wěn)定的冷源，為準(zhǔn)球型微波諧振腔31提供冷量使其內(nèi)部溫度降至設(shè)定溫度。為了減少制冷機(jī)1工作時(shí)的輕微震動(dòng)，在零級(jí)法蘭3上加裝有彈簧減震器2，在一級(jí)冷頭8和二級(jí)冷頭17加裝有一級(jí)柔性熱連接9和二級(jí)柔性熱連接18；零級(jí)法蘭3和真空筒4與一級(jí)法蘭12和一級(jí)防輻射屏13相連通共同構(gòu)建一個(gè)密閉空間，二級(jí)法蘭21和二級(jí)防輻射屏22共同構(gòu)建一個(gè)密閉空間，這兩個(gè)密閉空間一起為壓力腔26和準(zhǔn)球型微波諧振腔31提供穩(wěn)定的真空絕熱的工作環(huán)境。

如圖1中所示，制冷機(jī)1包括一級(jí)冷頭8和二級(jí)冷頭17，其中一級(jí)冷頭8與一級(jí)法蘭12相連，在一級(jí)冷頭8上連接有一級(jí)冷頭溫度計(jì)6和一級(jí)冷頭加熱器7，通過所述一級(jí)冷頭溫度計(jì)6對(duì)所述一級(jí)冷頭8的溫度進(jìn)行測(cè)量，通過一級(jí)冷頭加熱器7對(duì)所述一級(jí)冷頭8的溫度進(jìn)行微調(diào)；所述二級(jí)冷頭17與二級(jí)法蘭21相連，在二級(jí)冷頭17上連接有二級(jí)冷頭溫度計(jì)15和二級(jí)冷頭加熱器16，通過所述二級(jí)冷頭溫度計(jì)15對(duì)所述二級(jí)冷頭17的溫度進(jìn)行測(cè)量，通過二級(jí)冷頭加熱器16對(duì)所述二級(jí)冷頭17的溫度進(jìn)行微調(diào)。

所述一級(jí)冷頭8的下方安裝有一級(jí)柔性熱連接9，所述二級(jí)冷頭17的下方加裝有二級(jí)柔性熱連接18，通過所述一級(jí)柔性熱連接9和二級(jí)柔性熱鏈接18可有效降低了脈沖管內(nèi)氣體周期性壓力波動(dòng)引起管壁彈性形變帶來的振動(dòng)影響；通過彈簧減震器2、一級(jí)柔性熱連接10和二級(jí)柔性熱連接19雙重減震措施有效解決了制冷機(jī)1的振動(dòng)問題，所述柔性連接為彈性材料且具有較好的熱傳遞性能，既能消除振動(dòng)又能較好的進(jìn)行制冷傳遞，為微波諧振系統(tǒng)營(yíng)造一個(gè)良好的低溫環(huán)境。

在所述彈簧減震器2的下方連接有零級(jí)法蘭3，在所述一級(jí)法蘭12與零級(jí)法蘭3之間設(shè)置有零級(jí)吊桿5，在所述二級(jí)法蘭21與一級(jí)法蘭12之間設(shè)置一級(jí)吊桿14，通過所述零級(jí)吊桿5和一級(jí)吊桿14將法蘭進(jìn)行相連，兩層吊桿的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝拆卸十分方便，吊桿由絕熱材料制成，同時(shí)還可以減少不同級(jí)法蘭間的傳熱。另外，所述一級(jí)法蘭12、一級(jí)防輻射屏13、二級(jí)法蘭21和二級(jí)防輻射屏22均為鍍金結(jié)構(gòu)，可有效降低輻射換熱；為了對(duì)法蘭的溫度進(jìn)行控制，在所述一級(jí)法蘭12上設(shè)置一級(jí)法蘭溫度計(jì)10和一級(jí)法蘭加熱器11，通過一級(jí)法蘭溫度計(jì)10對(duì)所述一級(jí)法蘭的溫度進(jìn)行測(cè)量，通過一級(jí)法蘭加熱器11對(duì)所述一級(jí)法蘭12的溫度進(jìn)行微調(diào)；在所述二級(jí)法蘭21上設(shè)置二級(jí)法蘭溫度計(jì)19和二級(jí)法蘭加熱器20，通過二級(jí)法蘭溫度計(jì)19對(duì)所述二級(jí)法蘭21的溫度進(jìn)行測(cè)量，通過二級(jí)法蘭加熱器20對(duì)所述二級(jí)法蘭21的溫度進(jìn)行微調(diào)。

圖1中，在二級(jí)法蘭21的下方設(shè)置有壓力腔26，所述壓力腔26與壓力腔法蘭25組成工作測(cè)試環(huán)境，在所述壓力腔法蘭25上具有引入端口，所述引入端口與進(jìn)氣管32、出氣管33和真空引線接口34相連接，所述二級(jí)法蘭21通過二級(jí)吊桿23與所述壓力腔法蘭25進(jìn)行連接。真空筒4與零級(jí)法蘭3、一級(jí)防輻射屏13與一級(jí)法蘭12，二級(jí)防輻射屏22與二級(jí)法蘭21，壓力腔26與壓力腔法蘭25均可由螺栓連接，可自由拆裝；零級(jí)法蘭3、真空筒4、一級(jí)法蘭12、一級(jí)防輻射屏13、二級(jí)法蘭21和二級(jí)防輻射屏22構(gòu)成的真空系統(tǒng)具有很好的絕熱效果，保證了一級(jí)防輻射屏13和二級(jí)防輻射屏22等外圍部分及壓力腔26和準(zhǔn)球型微波諧振腔31內(nèi)溫場(chǎng)的均勻性。

所述定壓溫度基準(zhǔn)裝置包括控壓管路部分，所述控壓管路部分與所述進(jìn)氣管32以及出氣管33進(jìn)行連接，通過所述控壓管路部分使得整個(gè)基準(zhǔn)裝置中的氣體壓力保持穩(wěn)定，該控壓管路部分包括氣源35，所述氣源35中存放有高純度的氦氣，所述氣源35通過管道連接冷阱39，所述冷阱39用于降低氦氣溫度，當(dāng)需要對(duì)氦氣進(jìn)行溫度降低時(shí)，對(duì)閥門36進(jìn)行關(guān)閉，閥門37和閥門38打開，使得氣源35中的氦氣從冷阱39的管路中通過，為了提高氦氣的純度，可進(jìn)一步在管路中設(shè)置有氣體純化裝置44，在氣體純化裝置44的周圍管路中設(shè)置閥門41、閥門42和閥門43，通過該氣體純化裝置44可以除去氦氣中的雜質(zhì)以提高氦氣純度，使得進(jìn)入進(jìn)氣管32的氦氣具有高的純度。在控壓管路部分設(shè)置有流量計(jì)40和流量計(jì)46，通過這兩個(gè)流量計(jì)實(shí)時(shí)測(cè)量管路的質(zhì)量流量；其中，從氣源35發(fā)出的氦氣經(jīng)過流量計(jì)40、閥門41、氣體純化裝置44、閥門43和進(jìn)氣管32進(jìn)入壓力腔26和準(zhǔn)球型微波諧振腔31，經(jīng)出氣管33流入壓力計(jì)47和反饋環(huán)路48，當(dāng)流量計(jì)40流量過大時(shí)，部分氦氣會(huì)經(jīng)流量計(jì)46由真空泵45抽出到外界環(huán)境，這樣各部件一起構(gòu)成一個(gè)壓力補(bǔ)償環(huán)路，用以補(bǔ)償壓力計(jì)47間隙氣體泄漏導(dǎo)致的壓力損失，從而使壓力計(jì)長(zhǎng)期處于穩(wěn)定狀態(tài)，為壓力腔26和準(zhǔn)球型微波諧振腔31內(nèi)部提供長(zhǎng)期、穩(wěn)定的壓力環(huán)境。

通過外圍的控壓管路部分所形成的穩(wěn)定壓力環(huán)境，微波諧振系統(tǒng)中的準(zhǔn)球型微波諧振腔31能成功分離締合模式從而提高頻率測(cè)量精度，通過微波天線28發(fā)射微波、測(cè)量諧振頻率最終獲得準(zhǔn)球型微波諧振腔31在真空狀態(tài)及充氣狀態(tài)下的諧振頻率，定壓條件下準(zhǔn)球形微波諧振腔31的諧振頻率與其中的氣體折射率滿足一定的關(guān)系式，由此關(guān)系式可以獲得定壓條件下的氣體折射率，而由氣體維里方程可得定壓條件下氣體折射率與熱力學(xué)溫度滿足的另一關(guān)系式，從而在已知定壓條件下氣體折射率的情況下可由此關(guān)系式獲得定壓條件下相應(yīng)的熱力學(xué)溫度；智能控制系統(tǒng)通過引線接口34相連的自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)的采集與處理，為壓力腔26和準(zhǔn)球型微波諧振腔31提供穩(wěn)定可靠的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)一級(jí)冷頭溫度計(jì)6、一級(jí)法蘭溫度計(jì)10、二級(jí)冷頭溫度計(jì)15、二級(jí)法蘭溫度計(jì)19、標(biāo)準(zhǔn)銠鐵溫度計(jì)29等各參數(shù)的同步采集、記錄與自動(dòng)化處理，從而實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確度熱力學(xué)溫度測(cè)量。

如圖1所示的實(shí)施案例中，進(jìn)氣管32和出氣管33通過卡箍與壓力控制系統(tǒng)連接，為準(zhǔn)球型微波諧振腔31提供長(zhǎng)期穩(wěn)定的壓力環(huán)境，通過將絕對(duì)壓力測(cè)量轉(zhuǎn)換為相對(duì)壓力控制，降低了壓力測(cè)量不確定度，克服了傳統(tǒng)氣體定法和氣體介電常數(shù)法依賴于絕對(duì)壓力測(cè)量的劣勢(shì)。在壓力腔法蘭25下面安裝有準(zhǔn)球型微波諧振腔31，其上布置有連通結(jié)構(gòu)27、微波天線28，其中：連通結(jié)構(gòu)27之一與進(jìn)氣管32通過毛細(xì)管連接，使得壓力腔26、準(zhǔn)球型微波諧振腔31、控壓進(jìn)氣管32、出氣管33內(nèi)壓力處處相等，有效避免了氣體溫度計(jì)中存在的測(cè)壓管路分擔(dān)壓力導(dǎo)致的死空間修正，解決了準(zhǔn)球型微波諧振腔31在真空和充氣狀態(tài)下的變形問題，降低了非理想性對(duì)溫度測(cè)量準(zhǔn)確度的影響；通過微波天線28發(fā)射接受微波信號(hào)獲得準(zhǔn)球型微波諧振腔31在真空狀態(tài)及充氣狀態(tài)下的諧振頻率，比測(cè)量絕對(duì)壓力有更高的精度，不確定度達(dá)2ppb，進(jìn)而獲得高精度的氣體折射率和熱力學(xué)溫度。在本實(shí)施案例中，在一級(jí)冷頭8、一級(jí)法蘭12、二級(jí)冷頭18、二級(jí)法蘭21和準(zhǔn)球型微波諧振腔31上安裝有溫度計(jì)(6、10、15、19和29)和加熱器(7、11、16、20和30)，通過控制系統(tǒng)聯(lián)合控溫，能夠快速降溫至目標(biāo)溫度，并獲得高精度控溫效果。

智能控制系統(tǒng)可以通過開發(fā)編寫LabVIEW程序來實(shí)現(xiàn)對(duì)各子系統(tǒng)中包括溫度、壓力、頻率、質(zhì)量流量、電壓、電流、電阻等參數(shù)的控制、采集與處理，現(xiàn)實(shí)各個(gè)子系統(tǒng)協(xié)同控制和數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和分析反饋。

本實(shí)用新型的相對(duì)壓力控制精度高，克服了傳統(tǒng)測(cè)量方法溫度測(cè)量準(zhǔn)確度受制于絕對(duì)壓力測(cè)量準(zhǔn)確度的劣勢(shì)；準(zhǔn)球型微波諧振腔共振頻率測(cè)量精度比絕對(duì)壓力測(cè)量精度高3-4個(gè)數(shù)量級(jí)，可達(dá)2ppb(1ppb＝10^-9)，有利于高精度溫度測(cè)量基準(zhǔn)裝置的建立；準(zhǔn)球型微波諧振腔在真空和充氣狀態(tài)下形變小，非理想因素對(duì)溫度測(cè)量準(zhǔn)確度的影響小。

可以理解的是，雖然本實(shí)用新型已以較佳實(shí)施例披露如上，然而上述實(shí)施例并非用以限定本實(shí)用新型。對(duì)于任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，在不脫離本實(shí)用新型技術(shù)方案范圍情況下，都可利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容對(duì)本實(shí)用新型技術(shù)方案作出許多可能的變動(dòng)和修飾，或修改為等同變化的等效實(shí)施例。因此，凡是未脫離本實(shí)用新型技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本實(shí)用新型的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所做的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化及修飾，均仍屬于本實(shí)用新型技術(shù)方案保護(hù)的范圍內(nèi)。