簡(jiǎn)介

中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院在建立我國(guó)961.78℃以上溫區(qū)國(guó)際溫標(biāo)(ITS-90)的基礎(chǔ)上，研制了用作溫標(biāo)傳遞標(biāo)準(zhǔn)及精密測(cè)溫的新型精密光電高溫計(jì)。

鑒于鎢帶燈和黑體爐在溫標(biāo)傳遞中的重要地位,新型光電高溫計(jì)具備測(cè)量目標(biāo)小和輻射源尺寸效應(yīng)(Size-of-sourceeffect)小的特點(diǎn)。新基準(zhǔn)光電溫度比較儀在設(shè)計(jì)時(shí)使其主要參數(shù)與國(guó)際建議一致;同樣,新光電高溫計(jì)在被測(cè)目標(biāo)形狀、面積、受光立體角、儀器光譜帶寬等參數(shù)及儀器結(jié)構(gòu)上與國(guó)家基準(zhǔn)比較儀保持基本一致,以避免因基準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)儀器的差異在溫度量值傳遞的過(guò)程中產(chǎn)生顯著的系統(tǒng)誤差。由于該高溫計(jì)的光電探測(cè)器輸出與被測(cè)目標(biāo)的光譜輻射亮度呈現(xiàn)很好的線性關(guān)系,并在我國(guó)首次將原地測(cè)量有效波長(zhǎng)方法應(yīng)用于傳遞溫標(biāo)的高溫計(jì),因此,可直接由內(nèi)部微控制器依據(jù)普朗克定律計(jì)算被測(cè)溫度;具有數(shù)字濾波、自動(dòng)暗電流修正及發(fā)射率修正等功能,具備GPIB接口功能,便于組成自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)。

該高溫計(jì)在660nm波長(zhǎng)、900℃時(shí)溫度分辨率為0.01℃;在800℃～2200℃溫度范圍、置信水平為0.99時(shí),擴(kuò)展不確定度為1.0℃～2.4℃。精密光電高溫計(jì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能適合溫度精密測(cè)量并作為溫標(biāo)的傳遞標(biāo)準(zhǔn),也為高溫溫標(biāo)采用多波長(zhǎng)傳遞方法及固定點(diǎn)分度等技術(shù)創(chuàng)造了條件。

儀器描述

1、光溫計(jì)的組成

按功能劃分高溫計(jì)在形式上分為兩部分。一部分為光學(xué)機(jī)械系統(tǒng)、光電轉(zhuǎn)換及微電流放大器,另一部分為由微控制器等組成的測(cè)量顯示儀表。

2、光學(xué)系統(tǒng)布置及參數(shù)

精密光電高溫計(jì)光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì),參考了復(fù)現(xiàn)ITS-90的基準(zhǔn)光電溫度比較儀的光學(xué)系統(tǒng)及國(guó)外同類(lèi)儀器的方案。高溫計(jì)光學(xué)系統(tǒng)布置：被測(cè)輻射源經(jīng)物鏡成像于視場(chǎng)光闌,視場(chǎng)光闌中心為直徑0.2mm的圓孔,周?chē)鸀殓R反射面,用于瞄準(zhǔn)。被測(cè)目標(biāo)成像于圓孔上,其輻射經(jīng)準(zhǔn)直鏡、限制光闌、干涉濾光片、減弱濾光片、準(zhǔn)直鏡后會(huì)聚到光電探測(cè)器上。限制光闌決定高溫計(jì)的孔徑比。可轉(zhuǎn)動(dòng)的干涉濾光片輪上有四個(gè)安裝位置,可安裝三片不同波長(zhǎng)的干涉濾光片,使光束單色化,減弱濾光片用于擴(kuò)展測(cè)溫上限(使光電探測(cè)器工作于線性區(qū)域),為瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的反射鏡,為瞄準(zhǔn)物鏡,為減光片(輪),為目鏡。

高溫計(jì)物鏡直徑為68mm,焦距140mm,最小測(cè)量距離約0.4m,最小測(cè)量靶面直徑小于0.8mm,顯微物鏡和目鏡放大倍數(shù)為2×15。高溫計(jì)采用干涉濾光片為單色器,其中心波長(zhǎng)約為660nm,半寬帶約為10nm,長(zhǎng)波截止至1200nm,830nm附近次峰透過(guò)率約為1×10-4；采用吸熱玻璃可將次峰透過(guò)率降低1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。根據(jù)需要可選用900nm或950nm的紅外干涉濾光片。

雖然高溫計(jì)在小目標(biāo)和窄譜帶條件下測(cè)量難度增加,但在測(cè)量靶直徑為0.75mm條件下使用時(shí),測(cè)量靶的形狀大小、有效波長(zhǎng)及光譜帶寬等參數(shù)與國(guó)家基準(zhǔn)的相應(yīng)參數(shù)基本一致,避免了溫度基準(zhǔn)至標(biāo)準(zhǔn)的傳遞過(guò)程中因這些參數(shù)不同引起的系統(tǒng)誤差。

電流放大器通常有5～6個(gè)量程,其動(dòng)態(tài)范圍滿足800℃～3200℃測(cè)溫范圍探測(cè)器光電流的測(cè)量要求。放大器的輸入失調(diào)電壓的變化將導(dǎo)致探測(cè)器光譜響應(yīng)率的變化, 必須嚴(yán)格限制。由于測(cè)量信號(hào)微弱,對(duì)光電探測(cè)器及放大器采取了嚴(yán)格的屏蔽措施。帶有微處理機(jī)的測(cè)量顯示儀表的組成部分：測(cè)量顯示儀表在微處理器的控制下完成對(duì)微電流放大器的控制及對(duì)放大器輸出電壓的AD轉(zhuǎn)換;按放大器相應(yīng)量程增益計(jì)算光電流,并根據(jù)普朗克定律計(jì)算并顯示溫度值?？赏ㄟ^(guò)GPIB接口接收相應(yīng)的控制命令或發(fā)送測(cè)量數(shù)據(jù)、儀器狀態(tài)、參數(shù)等。在800℃,高溫計(jì)的分辨率優(yōu)于0.05℃,在900℃時(shí)分辨率優(yōu)于0.01℃。

原地測(cè)量有效波長(zhǎng)

根據(jù)普朗克定律測(cè)溫的前提之一是準(zhǔn)確確定精密光電高溫計(jì)的有效波長(zhǎng)。它是高溫計(jì)光學(xué)系統(tǒng)光譜透過(guò)率、光電探測(cè)器光譜響應(yīng)及被測(cè)溫度的函數(shù)。其數(shù)值主要取決于干涉濾光片的光譜特性。干涉濾光片具有顯著的不均勻性,必須采用原地測(cè)量方法確定高溫計(jì)有效波長(zhǎng),以減小有效波長(zhǎng)的不確定度。由于選用的中心波長(zhǎng)約為660nm的干涉濾光片在830nm附近有次峰,其峰值透過(guò)率為10-4數(shù)量級(jí)。該次峰將導(dǎo)致有效波長(zhǎng)在較低溫度時(shí)隨溫度降低迅速增大。為減小次峰對(duì)有效波長(zhǎng)的影響,在干涉濾光片前加一吸熱玻璃,使有效波長(zhǎng)隨溫度變化顯著減小,同時(shí)也減小了光電探測(cè)器光譜響應(yīng)測(cè)量不確定度對(duì)有效波長(zhǎng)不確定度的影響。加吸熱玻璃前后干涉濾光片的光譜透過(guò)率及平均有效波長(zhǎng)計(jì)算結(jié)果。加吸熱玻璃后有效波長(zhǎng)隨溫度的變化顯著減小。

分度重復(fù)性

用真空燈和充氣燈分度高溫計(jì)的分度重復(fù)性,10天內(nèi)分度6次。實(shí)驗(yàn)時(shí)室溫控制在22℃±1℃內(nèi),燈座溫度控制在21℃±0.3℃內(nèi)。

輻射源尺寸效應(yīng)(SSE)

由于光學(xué)系統(tǒng)雜散光及象差等因素的影響,高溫計(jì)測(cè)量溫度一定的輻射源時(shí),測(cè)量結(jié)果與被測(cè)源形狀大小有關(guān)。高溫計(jì)在測(cè)量1000℃和2000℃的40mm面黑體時(shí),SSE的影響分別為0.13℃和0.43℃。該特性表明,用鎢帶燈分度該高溫計(jì),在測(cè)量黑體爐時(shí),若不做SSE修正也不致產(chǎn)生顯著的誤差。

距離影響

測(cè)量距離不同時(shí)高溫計(jì)光學(xué)系統(tǒng)的透過(guò)率略有變化。用鎢帶燈和黑體爐測(cè)量了高溫計(jì)放大器輸出受測(cè)量距離的影響(DE)。在近距離測(cè)量時(shí)要注意距離變化的影響。

不確定度評(píng)定

精密光電高溫計(jì)在確定其有效波長(zhǎng)和放大器各量程增益比后,僅需一個(gè)參考溫度點(diǎn)分度,即可確定其溫度量值(忽略高溫計(jì)非線性的影響)。作為溫標(biāo)的傳遞標(biāo)準(zhǔn)時(shí),為與現(xiàn)行檢定方法統(tǒng)一,800℃～2200℃暫用工作基準(zhǔn)燈檢定(或檢驗(yàn))精密(標(biāo)準(zhǔn))光電高溫計(jì)。影響其不確定度的主要因素為以下6項(xiàng):分度重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)不確定度;標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計(jì)年穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)不確定度;工作基準(zhǔn)燈的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度;工作基準(zhǔn)燈電測(cè)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)不確定度(含標(biāo)準(zhǔn)電阻、電壓測(cè)量?jī)x表和穩(wěn)流電源紋波的影響);有效波長(zhǎng)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度(0.2nm)對(duì)鎢帶燈亮度溫度的影響u5;環(huán)境溫度對(duì)標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計(jì)影響的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

當(dāng)采用固定點(diǎn)作為溫度參考點(diǎn)的分度方法時(shí),參考點(diǎn)溫度不確定度對(duì)各溫度延伸點(diǎn)的影響都將顯著減小。由于本精密光電高溫計(jì)在設(shè)計(jì)上完全具備用單點(diǎn)分度的技術(shù)特點(diǎn),因此為將來(lái)采用新分度方法傳遞溫標(biāo)、減小測(cè)溫不確定度打下了良好基礎(chǔ)。

總結(jié)

精密光電高溫計(jì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能不僅適用于溫度精密測(cè)量,而且可作為溫標(biāo)的傳遞標(biāo)準(zhǔn)。該高溫計(jì)在小目標(biāo)和窄譜帶的測(cè)量條件下,具有分辨率高、SSE小、自動(dòng)化測(cè)量等特點(diǎn)。采用原地測(cè)量有效波長(zhǎng)標(biāo)定技術(shù),測(cè)溫范圍為800℃～3200℃。在660nm波長(zhǎng)下,900℃時(shí)溫度分辨率為0.01℃,在800℃～2200℃溫度范圍內(nèi),置信水平為0.99時(shí),擴(kuò)展不確定度為1.0℃～2.4℃。