Измерение давления газа, свободное от ртути и механических устройств

Метод включает в себя измерение того, как изменяется электрическая емкость, когда пространство между электродами конденсатора заполняется сжатым газом. Изменение емкости связано с диэлектрической проницаемостью газа, которая, в свою очередь, зависит от его плотности

Исследователи из Германии разработали новый стандарт для измерения давления, который не зависит от таких элементов измерительных приборов, как механические поршни или столбики ртути. Предлагаемый метод основан на расчетах, основанных на физических принципах и точных измерениях показателей электрических свойств газообразного гелия. Получаемая точность измерений находится в пределах пяти на миллион частей при давлении до 7 МПа и в конечном итоге может заменить общепринятые нормы и правила измерения давления.

В середине 1600-х годов такие ученые, как Эванджелиста Торричелли и Христиан Гюйгенс, для измерения давления начали использовать трубки с открытым концом и ртутные столбики, показывающие отношение давлений измеряемого газа к атмосферному. Системы этого типа до сих пор используются в качестве эталонных, однако в последние десятилетия метрологи продвинулись в разработке других методов, в которых отсутствует необходимость использования токсичной ртути. Новый стандарт давления стал результатом одной из таких попыток ученых из Национального института метрологии Германии (PTB) в Берлине.

Первым шагом стала замена ртутных столбиков поршнями. Давление под поршнем можно рассчитать простым способом, умножив площадь поверхности поршня на массу груза, воздействующего на него. Трудность состоит в том, что площадь поверхности поршня и зазор между поршнем и окружающей стенкой цилиндра должны быть измерены с очень высокой степенью точности. Более того, поскольку поршни являются физическими объектами, каждый из них немного отличается друг от друга.

Чтобы превзойти точность имеющихся механических поршневых манометров, был разработан альтернативный эталон давления газа, основанный на методе, известном как «термометрия газа с диэлектрической постоянной» (ТГДП). Этот метод был изобретен в начале 1980-х годов, а PTB в рамках международных усилий по установлению значения постоянной Больцмана (а значит и по переопределению единицы измерения температуры в кельвинах) провели его усовершенствование.

Метод включает в себя измерение того, как изменяется электрическая емкость, когда пространство между электродами конденсатора заполняется сжатым газом. Изменение емкости связано с диэлектрической проницаемостью газа, которая, в свою очередь, зависит от его плотности. Если известна плотность, то, используя модифицированную версию закона идеального газа, легко вычислить и его температуру.

Достигнутый результат исследователей PTB предлагает новое направление в ТГДП. Вместо того, чтобы для расчета температуры использовать изменение емкости, они использовали этот метод для определения давления, зная фиксированное значение температуры и теоретически рассчитывая две величины: электрическую поляризуемость газа и силу взаимодействия между его атомами.

Для гелия атомарные расчеты давно известны: первые значения электрической поляризуемости гелия были получены в 1920-х и 1930-х годах. Совсем недавно проект переопределения градуса Кельвина стимулировал значительный прогресс в точности этих вычислений, и несколько исследовательских групп независимо друг от друга разработали более эффективные методы их выполнения. Эти улучшения, вместе с проделанной лабораторной работой группы исследователей из PTB, позволили разработать новый стандарт на основе электрической емкости газа.

Новый метод может лечь в основу будущего немеханического определения стандарта измерения давления газа. Однако механические стандарты не исчезнут в одночасье, «в более долгосрочной перспективе, когда устаревшие стандарты прекратят действие, новый метод станет для их замены серьезной альтернативой».

«Это довольно масштабный эксперимент, и необходимо учитывать, что для его проведения необходим очень чистый газ и хорошая температурная стабильность». Для выхода метода за пределы текущего предела в 7 МПа также потребуются дальнейшие теоретические успехи в изучении газообразного гелия, находящегося при очень высоких давлениях.

Связанная статья журнала Nature Physics: https://doi.org/10.1038/s41567-019-0722-2

Источник: Physics World