簡介

中國計(jì)量科學(xué)研究院在建立我國961.78℃以上溫區(qū)國際溫標(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)與國際建議一致;同樣,新光電高溫計(jì)在被測目標(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)的光電探測器輸出與被測目標(biāo)的光譜輻射亮度呈現(xiàn)很好的線性關(guān)系,并在我國首次將原地測量有效波長方法應(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)化測試系統(tǒng)。

該高溫計(jì)在660nm波長、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)及國外同類儀器的方案。高溫計(jì)光學(xué)系統(tǒng)布置：被測輻射源經(jīng)物鏡成像于視場光闌,視場光闌中心為直徑0.2mm的圓孔,周圍為鏡反射面,用于瞄準(zhǔn)。被測目標(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的干涉濾光片,使光束單色化,減弱濾光片用于擴(kuò)展測溫上限(使光電探測器工作于線性區(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,最小測量距離約0.4m,最小測量靶面直徑小于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,其中心波長約為660nm,半寬帶約為10nm,長波截止至1200nm,830nm附近次峰透過率約為1×10-4；采用吸熱玻璃可將次峰透過率降低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)和窄譜帶條件下測量難度增加,但在測量靶直徑為0.75mm條件下使用時(shí),測量靶的形狀大小、有效波長及光譜帶寬等參數(shù)與國家基準(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℃測溫范圍探測器光電流的測量要求。放大器的輸入失調(diào)電壓的變化將導(dǎo)致探測器光譜響應(yīng)率的變化, 必須嚴(yán)格限制。由于測量信號(hào)微弱,對光電探測器及放大器采取了嚴(yán)格的屏蔽措施。帶有微處理機(jī)的測量顯示儀表的組成部分：測量顯示儀表在微處理器的控制下完成對微電流放大器的控制及對放大器輸出電壓的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^GPIB接口接收相應(yīng)的控制命令或發(fā)送測量數(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℃。

原地測量有效波長

根據(jù)普朗克定律測溫的前提之一是準(zhǔn)確確定精密光電高溫計(jì)的有效波長。它是高溫計(jì)光學(xué)系統(tǒng)光譜透過率、光電探測器光譜響應(yīng)及被測溫度的函數(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,必須采用原地測量方法確定高溫計(jì)有效波長,以減小有效波長的不確定度。由于選用的中心波長約為660nm的干涉濾光片在830nm附近有次峰,其峰值透過率為10-4數(shù)量級(jí)。該次峰將導(dǎo)致有效波長在較低溫度時(shí)隨溫度降低迅速增大。為減小次峰對有效波長的影響,在干涉濾光片前加一吸熱玻璃,使有效波長隨溫度變化顯著減小,同時(shí)也減小了光電探測器光譜響應(yīng)測量不確定度對有效波長不確定度的影響。加吸熱玻璃前后干涉濾光片的光譜透過率及平均有效波長計(jì)算結(jié)果。加吸熱玻璃后有效波長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)測量溫度一定的輻射源時(shí),測量結(jié)果與被測源形狀大小有關(guān)。高溫計(jì)在測量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

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

不確定度評定

精密光電高溫計(jì)在確定其有效波長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)燈電測設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)不確定度(含標(biāo)準(zhǔn)電阻、電壓測量儀表和穩(wěn)流電源紋波的影響);有效波長的標(biāo)準(zhǔn)不確定度(0.2nm)對鎢帶燈亮度溫度的影響u5;環(huán)境溫度對標(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),因此為將來采用新分度方法傳遞溫標(biāo)、減小測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)和窄譜帶的測量條件下,具有分辨率高、SSE小、自動(dòng)化測量等特點(diǎn)。采用原地測量有效波長標(biāo)定技術(shù),測溫范圍為800℃～3200℃。在660nm波長下,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℃。