音響気体温度計を用いた新SI定義に基づく高温温度標準の構築
| Project/Area Number |
23K20942
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| Project/Area Number (Other) |
21H01346 (2021-2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2021-2023) |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 21030:Measurement engineering-related
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
Widiatmo Januari 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 計量標準総合センター, 主任研究員 (30371024)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
中野 享 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 計量標準総合センター, 主任研究員 (20357643)
三澤 哲郎 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 計量標準総合センター, 主任研究員 (40635819)
斉藤 郁彦 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 計量標準総合センター, 主任研究員 (50710620)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥17,550,000 (Direct Cost: ¥13,500,000、Indirect Cost: ¥4,050,000)
Fiscal Year 2024: ¥390,000 (Direct Cost: ¥300,000、Indirect Cost: ¥90,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
Fiscal Year 2022: ¥8,060,000 (Direct Cost: ¥6,200,000、Indirect Cost: ¥1,860,000)
Fiscal Year 2021: ¥7,150,000 (Direct Cost: ¥5,500,000、Indirect Cost: ¥1,650,000)
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| Keywords | 熱力学温度測定 |
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| Outline of Research at the Start |
温度の国家標準は、熱力学温度の最良近似として1990年に定められた1990年国際温度目盛（ITS-90）に基づき供給されている。しかし、計測技術の発達により、熱力学温度Tと、ITS-90により実現された温度T90は系統的に差異（T-T90）があることが分かってきた。このために、熱力学温度を広範囲において高精度に測定し、T-T90をより明確化し、その普遍性の検証が求められている。
本研究では、これまで熱力学温度を高精度に測定できる音響気体温度計（AGT）を開発し貢献してきたが、測定範囲を拡張し高温用AGTを構築して、低温から高温にかけて広範囲にT-T90の高精度な測定を行う。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、これまで開発してきた、熱力学温度を高精度に測定可能な音響気体温度計の作製技術を活用し、測定範囲を高温領域まで拡張した高温用音響気体温度計の開発、および、その測定システムの構築を行っている。
2023年度は、新規設計・製作したステンレス（SUS316L）製音響気体温度計の擬球形共鳴器を新規に設計・製作圧力容器内に設置して、封入ガスを供給・制御するガス配管システムと接続して音響気体温度計のシステムを完成にしたとともに、より高い温度場を実現する電気炉の設計・製作を行った。
本音響気体温度計はコンデンサー型マイクロフォンを送信用および受信用として用いることで音響共鳴を実現し、音速を測定して熱力学温度を決定するものである。本年度は150 ℃までの高温域で使用可能なコンデンサー型マイクロフォンを新規に開発した擬球形共鳴器に設置して、水の三重点（0.01 ℃）から70 ℃までの温度範囲で性能確認を行った。共鳴器の有効半径の測定には、共鳴器に送信用および受信用アンテナを設置して電磁波共振を実現させる手法を用いている。本年度は、高温域用に開発した電磁波プラグに2種類のアンテナを設置して水の三重点から70 ℃までの温度範囲で性能確認を行った。拡張した温度範囲での高精度な温度測定のために、昨年度に1990年国際温度目盛（ITS-90）に従い、水の三重点およびインジウムの凝固点において校正したロングステム型およびカプセル型の2種類の標準白金抵抗温度計（SPRT）を共鳴器に設置して水の三重点（0.01 ℃）から70 ℃までの範囲での温度測定を実施して、前述した音響共鳴および電磁波共鳴による一連の測定を行い、熱力学温度を測定した。この一部の結果を国際学会において発表を行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
新規に設計・製作した、公称内容積が3 Lのステンレス（SUS316L）製音響気体温度計の擬球形共鳴器（以降QSR-3とぶ）に、送信用および受信用のループ型アンテナを設置して電磁波共振周波数の測定が可能なように準備した。同様に、150 ℃までの高温域で使用可能な送信用および受信用のコンデンサー型マイクロフォンをQSR-3に設置して音響共鳴周波数の測定のために準備した。QSR-3の温度分布および温度安定性を向上するために、QSR-3の北極側、赤道側および南極側にマイクロヒータおよび白金抵抗温度計を設置した。
QSR-3の温度分布および温度安定性の評価、ならびにITS-90による温度の測定のために、ITS-90に従い前年度にインジウムの凝固点（156.5985 ℃）で校正したカプセル型標準白金抵抗温度計およびロングステム型標準白金抵抗温度計をQSR-3に設置した。QSR-3に設置した全ての部品を、ハーメチック・コネクタを介して、各測定・制御装置に接続し、QSR-3と同じ材質で設計・製作した圧力容器にQSR-3を設置し、本圧力容器内に封入される単原子分子ガスを周囲から密閉にした。更に、ガスの圧力の測定・制御に用いる圧力計およびガス配管系をQSR-3に接続して、音響気体温度計システムを完成にした。
QSR-3を内包した上記の圧力容器を恒温槽に浸し、水の三重点（0.01 ℃）から70 ℃の範囲においてQSR-3の温度を精密に安定化できるようにした。同温度範囲で電磁波共振周波数、音響共鳴周波数、封入ガスの流量、圧力およびITS-90による温度T90を測定して、熱力学温度Tを算出して、（T- T90）を決定した。本結果の一部を2023年ヨーロッパ熱物性学会（ECTP2023）で発表した。
70 ℃以上の範囲での熱力学温度の測定ために、QSR-3専用の3ゾーンヒータ型電気炉を設計・製作した。
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| Strategy for Future Research Activity |
【QSR-3による測定】完成したQSR-3と関連システムを、現有の液体恒温槽を用いて、TPWから70 ℃の範囲において熱力学温度の再測定を試みる。単原子分子ガスには、水の三重点およびガリウムの融解点で音速値が高精度に報告されているアルゴンガスを選択し、本システムの再現性および信頼性を評価する。QSR-3の信頼性を確認した後、後述の電気炉を用いて、温度範囲を70 ℃以上に拡張し、熱力学温度の高精度な測定を試みる。
【分離型プラグの開発】昨年度に続き、高温域で使用可能な分離型音響システムを設計・製作して、高温仕様のマイクロフォンを用いて室温の大気下において動作テストを実施する。同様に、電磁波測定については、耐高温アンテナの設計・製作を継続して実施するとともに、関連の動作テストを実施する。
【QSR-3の使用の高温化】新規に設計・製作した、QSR-3のための専用の3ゾーンヒータ型電気炉を用いて70 ℃以上の範囲での測定を開始する。
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Report
(3 results)
Research Products
(3 results)
