声学温度计中声波导管的优化设计研究
发布时间：2020-07-21 09:59
【摘要】：温度表征物体的冷热程度,也是国际单位制中基本量之一。日常使用的温度计都是依据某一特定物质的性质随温度变化的规律进行测量,这样会使所测温度对该物质有所依赖。1848年,英国物理学家威廉·汤姆森(开尔文勋爵)由热力学第二定律定义了热力学温度,热力学温度与测温物质无关,从根本上保证了所测温度的根本性与绝对性。但直接测量热力学温度难度较大,ITS-90国际温标是一种协议性温标,是对热力学温度的逼近。近些年,随着声学测温研究的不断深入,发现新的热力学温度测量结果与国际温标ITS-90定义值发生了偏差,并且随着温度的上升而增大。目前,国际上急需600K以上新的热力学温度测量结果。气体声学温度计是当前测量热力学温度不确定度最小的方法,其测温原理是基于理想气体的声速与热力学温度的关系。应用气体声学温度计开展600 K～1358 K热力学温度测量是目前国际温度计量界的热点方向之一。然而,现有声学传感器难以在400 K以上工作,需采用耐温声波导管将声学信号引入和引出声学共鸣腔。声波导管的设计是影响声学信号信噪比和能量品质因数的关键因素。本文提出了采用变径声波导管降低声波的能量损耗和扰动的方法,建立了变径声波导管的衰减和扰动模型,分析了声学信号在不同尺寸声波导管内的能量衰减和导管对圆柱腔声学共振频率和半宽的扰动,获得了优化尺寸,实验测试验证了模型具有一定的合理性。主要内容和成果如下:(1)根据现有单一内径声波导管声场能量特性理论及扰动特性理论,创新地建立了变径声波导管声场能量及声场扰动模型。给出了变径声波导管的优化设计流程,从理论上得到了 300 K,101 kPa下二阶变径声波导管的最优设计尺寸;内长为80 mm圆柱腔体轴向共振频率下声波传输能量衰减因子0.3,声场频率半宽扰动均小于30 ppm的理想效果。(2)基于二阶变径声波导管模型拓展建立了多阶梯度乃至锥形连续的变径声波导管内声场能量衰减及声场扰动模型,计算分析表明,锥形导管在单一轴向声学模式下优于二阶变径导管。其中,利用maple软件编写了相关计算程序,可实现衰减和扰动的自动化计算。(3)制造了不同尺寸变径声波导管,与声学共鸣腔、声学频率测量系统、自动控制及数据采集系统形成完整的测量系统,在293 K,101kPa条件下开展了变径声波导管圆柱腔内声学共振实验研究,三组声波导管测量结果与理论计算基本一致,说明了建立的模型和优化计算程序的合理性及准确性。本文提出的变径声波导管优化设计方案和衰减-扰动分析模型为声学法精确测量高温区热力学温度提供了理论基础,也将为国际温标的修订及玻尔兹曼常数测定研究提供思路,为高温气体声学温度计的开发提供了技术支持。
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH811
【图文】：
根据图中展示结果显示，可知ＩＴＳ－９０国际温标与更高水平的基准声学温度计测量逡逑热力学温度的结果存在明显差异，在５５２邋Ｋ，处其结果偏差已经超过１０邋ｍＫ，己经达逡逑到了国际温标不确定度的上限值，而在５５２邋Ｋ至１３５８邋Ｋ的偏差将会更高，甚至达到逡逑几十毫开尔文或者更高［１１１，温度测量仪表与真实热力学温度之间的差异随着温度量传逡逑体系到达用户会被逐级放大。逡逑因此开展６００邋Ｋ以上高温区热力学温度的测量研究能够补充高温区热力学温度测逡逑量结果，为ＩＴＳ－９０国际温标的修订提供高温区数据支持，也能够将基准法测量热力学逡逑温度的测温范围扩展至更高温区，这对于Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ常数测定、开尔文单位的重新定逡逑义都具有重要的科学意义Ｐ，｜１］，将基准准声学温度计的测温范围将更高温区的提升，逡逑也是我国在计量基准方面创新能力的提现。逡逑
度计的不断发展，它己经成为当前世界上测温范围之一。逡逑ｉｐｐｌｅ［７３＾（美国国家变准技术研宄院）在前人的基础器的方式进行了邋６００邋Ｋ（最高提高至６３３邋Ｋ）高温区的见图１－３，获得了良好的实验结果，其使用的腔体波导管的引入对腔体会造成轻微扰动，声波导管可用ｈａｎｇ等％７５］（中国计量科学研宄院）在高温环境下将声行了声波导管的声学共振频率相应特性实验，对不同应特性进行了相关研宄，分析了不同内径的声波导管。逡逑ｔｆ？ｅｎｒ！0ｍｅｔｅｒ逡逑ｗｅＪＩｇａｓ逡逑
逦（２－４）逡逑ｕ邋ｄｒ逡逑其中，表示声波声压，%奖硎纠绽顾阕樱侗硎旧伲谌缤迹玻彼镜脑插义现晗迪麓嬖谌缦鹿叵担哄义希螅插澹卞澹徨澹澹卞澹幔插澹澹幔插义希皱五五澹桢危薄邋危卞濉邋危ǎ玻担╁义希洌颍澹蝈澹洌蝈澹颍卞澹洌溴澹洌义辖勾邮庇蚍掷肟傻茫哄义希穑ǎ颍簦剑穑ǎ颍澹椋迹徨危ǎ玻叮╁义仙鲜街校舱衿德剩抖玻唬颍瞧德剩蝈澹藉澹颍ǎ颍茫玻┪仓晗抵械南蛄浚义媳硎驹冢虼Φ纳埂ｅ义辖剑ǎ玻叮┐胧剑ǎ玻矗┲锌傻茫哄义希保村义
本文编号：2764261
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH811
【图文】：
根据图中展示结果显示，可知ＩＴＳ－９０国际温标与更高水平的基准声学温度计测量逡逑热力学温度的结果存在明显差异，在５５２邋Ｋ，处其结果偏差已经超过１０邋ｍＫ，己经达逡逑到了国际温标不确定度的上限值，而在５５２邋Ｋ至１３５８邋Ｋ的偏差将会更高，甚至达到逡逑几十毫开尔文或者更高［１１１，温度测量仪表与真实热力学温度之间的差异随着温度量传逡逑体系到达用户会被逐级放大。逡逑因此开展６００邋Ｋ以上高温区热力学温度的测量研究能够补充高温区热力学温度测逡逑量结果，为ＩＴＳ－９０国际温标的修订提供高温区数据支持，也能够将基准法测量热力学逡逑温度的测温范围扩展至更高温区，这对于Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ常数测定、开尔文单位的重新定逡逑义都具有重要的科学意义Ｐ，｜１］，将基准准声学温度计的测温范围将更高温区的提升，逡逑也是我国在计量基准方面创新能力的提现。逡逑
度计的不断发展，它己经成为当前世界上测温范围之一。逡逑ｉｐｐｌｅ［７３＾（美国国家变准技术研宄院）在前人的基础器的方式进行了邋６００邋Ｋ（最高提高至６３３邋Ｋ）高温区的见图１－３，获得了良好的实验结果，其使用的腔体波导管的引入对腔体会造成轻微扰动，声波导管可用ｈａｎｇ等％７５］（中国计量科学研宄院）在高温环境下将声行了声波导管的声学共振频率相应特性实验，对不同应特性进行了相关研宄，分析了不同内径的声波导管。逡逑ｔｆ？ｅｎｒ！0ｍｅｔｅｒ逡逑ｗｅＪＩｇａｓ逡逑
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