具有400年历史的压力测量技术得到了升级

计量革命正在加快步伐。上个月,在对国际单位制(SI)中最基本的“计量”计量单位进行全面改革之后,一些计量学家正在关注下一个目标:压力。美国研究人员现在已经开发出一种定义压力的新方法及其派生的国际单位制,帕斯卡。他们说,帕斯卡将在一年内开始取代自1643年以来一直使用的基于汞的测量方法。

传统上,压力定义为每单位面积的力,帕斯卡定义为每平方米1牛顿的力。在将近400年的时间里,使用称为压力计的汞基仪器测量了气压及以下的气压值。位于马里兰州盖瑟斯堡的美国国家标准技术研究院(NIST)拥有世界上最精确的压力计之一,被称为主要标准-大型仪器,可作为所有其他压力传感器的基准。但是NIST的科学家已经开发出一种高度精确的压力测量方法,该方法基于将压力视为能量密度-等效单位面积力的物理描述,因为它源自SI基本单位的相同组合。他们的方法包括直接用激光探测空腔中的气体原子以确定其压力。该团队希望在明年展示其设备可以与压力计匹敌,并鼓励其他计量实验室将其用作主要标准。

如果被计量界广泛接受,该方法将消除对汞的需要,因为汞是有毒的,并且面临国际禁令。此外,该技术使用自然的基本常数直接测量压力,这意味着计量师无需依赖压力计所依赖的其他量度(例如密度)的先前测量值即可得出帕斯卡。从理论上讲,它还可以允许任何人从第一原理测量压力,而无需“繁琐的工作”(从一连串的校准到当前所需的主要标准),物理化学技术研究所的Bo Gao说中国科学院北京分院的研究员,他研究了一种测量极低温度的相关方法。

有待改进

计量学家长期以来一直在努力替换压力计,其原理可追溯到1643年意大利物理学家Evangelista Torricelli发明的水银压力计。现代压力计有两根高大的汞柱,可以通过平衡压力与汞重量所产生的力来测量由于压力施加在表面上的力。压力是通过使用重力和该特定汞样品的密度的测量值得出的,但是确定密度值是一项艰巨的工作,仅需几十年才能完成。NIST的气象学家Jay Hendricks说,压力计的精度也达到了极限,但是新方法的不确定性还有很大的改进空间。

自1875年以来最大的科学单位大修获得批准

NIST新型压力传感器,称为定长光学腔(FLOC),将激光穿过充气腔的速度与相同光束在真空中的速度进行比较。光速随气体密度的变化而变化,量子化学家可以根据原子的特性进行计算。对于恒温系统,计量学家可以将这些密度测量值(“空腔中的粒子数”有效地)与玻尔兹曼常数相结合,该常数将温度与动能相关。计算出气体的“能量密度”?相当于压力。

方法是“吃”?亨德里克斯说,因为它仅通过量子计算和自然的基本常数就可以通过计算空腔中气体颗粒的数量来测量压力。他说,从本质上讲,“压力”很大。这是新的SI基本单位的精神所在,现在它们都由它们与基本常量的关系来定义,而不是通过任意引用或对象来定义。他补充说:“从计量学的角度来看,他是很棒的。”

高说,这项技术具有很大的潜力。但是需要解决一些问题,例如了解气体中的杂质如何影响测量以及在实验过程中空腔如何变形。该团队正在努力解决这些问题,以减少不确定性,但是Hendricks说,在一定压力下,FLOC将在一年之内准备用作主要标准-“相对于NIST校准行业中使用的传感器”。

研究小组说,在大气压力下,FLOC测量的不确定度为百万分之6-几乎与汞法相当,其不确定度可以低至百万分之三。该团队说,在测量较低压力时,其不确定性仅为水银压力计的不确定性的三分之一。结果是“令人印象深刻的”?英国特丁顿国家物理实验室(NPL)的气象学家Stuart Davidson说。

变革的力量

但是其他国家的计量学家仍然需要说服FLOC已经为黄金时段做好了准备。NIST首先将使FLOC成为主要标准。为此,它将发布激光方法与其压力计的比较结果,该压力表已通过国际度量衡委员会下属机构进行的比较进行了国际认可,并已得到国际认可,并进行了内部审查。然后,为了获得官方对FLOC主张的正确性的认可,NIST必须将其应用于同一机构,以监督与不伦瑞克德国计量研究所PTB的常规设备进行的比较。

为了真正采用新方法,计量学家可能需要查看另一个实验室中创建的另一个FLOC,该FLOC可以达到相同的结果。其他国家计量实验室,包括PTB,正在开发等效的设备,但尚未准备就绪。戴维森补充说:“或者要进行新的实验以使人们对它们充满信心,这将需要很长时间。”

从理论上讲,因为现在已根据常量定义了SI基本单位,所以将数量链接到这些常量的任何适当严格的技术都是可以得出单位的方法。在这些规则下,FLOC自动成为定义压力的一种方式。但是,实际上,没有人知道国际社会在接受FLOC作为有效或优越方法之前需要多少证据。戴维森说:“认为这可能是一个测试案例。”

同时,NIST团队正在开发FLOC的便携式版本的原型,可以在工业中实现更精确的测量。例如,在高度计中使用,该高度计使用压力来测量高度,这将使飞机可以靠得更近一些并减少燃料消耗。该团队还正在调整该方法,使其能够在更高的压力下工作,而目前该压力是通过活塞式压力表最精确地测量的。

NPL的另一位气象学家Michael de Podesta说,NIST方法的优点不仅实用。他说,与提高图像分辨率一样,提高压力测量的精度可以从根本上推动科学的发展。“当您可以更精确地测量压力时,您会更清楚地看到世界。而且就像图像一样,您不知道要看什么,直到您构建了要看的仪器。?/ p>

自然570,424-425(2019)

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