中國計量科學(xue)研究院在建立我國961.78℃以(yi)上溫(wen)(wen)區國際溫(wen)(wen)標(ITS-90)的(de)基礎(chu)上,研制了用作溫(wen)(wen)標傳遞標準(zhun)及精(jing)密測溫(wen)(wen)的(de)新型精(jing)密光電高溫(wen)(wen)計。
鑒于(yu)(yu)鎢帶燈和(he)黑(hei)體(ti)(ti)爐在(zai)(zai)(zai)溫(wen)標(biao)(biao)(biao)傳遞中(zhong)的(de)重(zhong)要地位,新型(xing)光(guang)(guang)電(dian)高(gao)溫(wen)計(ji)(ji)具(ju)(ju)備測(ce)(ce)量目標(biao)(biao)(biao)小(xiao)和(he)輻射源尺寸效應(ying)(Size-of-sourceeffect)小(xiao)的(de)特點。新基(ji)準光(guang)(guang)電(dian)溫(wen)度比較(jiao)儀(yi)在(zai)(zai)(zai)設計(ji)(ji)時使其(qi)主要參數與(yu)(yu)國(guo)際建議一致;同樣(yang),新光(guang)(guang)電(dian)高(gao)溫(wen)計(ji)(ji)在(zai)(zai)(zai)被(bei)測(ce)(ce)目標(biao)(biao)(biao)形狀(zhuang)、面積、受光(guang)(guang)立體(ti)(ti)角、儀(yi)器(qi)光(guang)(guang)譜帶寬等(deng)(deng)參數及(ji)儀(yi)器(qi)結構上與(yu)(yu)國(guo)家基(ji)準比較(jiao)儀(yi)保持基(ji)本一致,以(yi)避免因基(ji)準和(he)標(biao)(biao)(biao)準儀(yi)器(qi)的(de)差異在(zai)(zai)(zai)溫(wen)度量值傳遞的(de)過程(cheng)中(zhong)產生顯(xian)著(zhu)的(de)系(xi)統誤(wu)差。由(you)于(yu)(yu)該高(gao)溫(wen)計(ji)(ji)的(de)光(guang)(guang)電(dian)探測(ce)(ce)器(qi)輸出與(yu)(yu)被(bei)測(ce)(ce)目標(biao)(biao)(biao)的(de)光(guang)(guang)譜輻射亮(liang)度呈現很好的(de)線(xian)性(xing)關系(xi),并在(zai)(zai)(zai)我國(guo)首(shou)次將(jiang)原地測(ce)(ce)量有效波長方法應(ying)用于(yu)(yu)傳遞溫(wen)標(biao)(biao)(biao)的(de)高(gao)溫(wen)計(ji)(ji),因此,可直接由(you)內(nei)部微(wei)控(kong)制器(qi)依據普朗克定律計(ji)(ji)算被(bei)測(ce)(ce)溫(wen)度;具(ju)(ju)有數字濾波、自動暗電(dian)流修正及(ji)發射率(lv)修正等(deng)(deng)功能,具(ju)(ju)備GPIB接口功能,便于(yu)(yu)組成自動化測(ce)(ce)試系(xi)統。
該高溫(wen)(wen)(wen)(wen)計(ji)在(zai)(zai)660nm波長、900℃時溫(wen)(wen)(wen)(wen)度(du)分辨率為(wei)0.01℃;在(zai)(zai)800℃~2200℃溫(wen)(wen)(wen)(wen)度(du)范(fan)圍、置信水平為(wei)0.99時,擴展不(bu)確定度(du)為(wei)1.0℃~2.4℃。精(jing)密光電(dian)高溫(wen)(wen)(wen)(wen)計(ji)的(de)結構參數和(he)性能適(shi)合溫(wen)(wen)(wen)(wen)度(du)精(jing)密測量(liang)并作為(wei)溫(wen)(wen)(wen)(wen)標(biao)的(de)傳(chuan)(chuan)遞標(biao)準,也為(wei)高溫(wen)(wen)(wen)(wen)溫(wen)(wen)(wen)(wen)標(biao)采用多(duo)波長傳(chuan)(chuan)遞方法及(ji)固定點分度(du)等技術創造了條件。
按(an)功(gong)能(neng)劃分(fen)高溫(wen)計在形式上分(fen)為兩部(bu)分(fen)。一部(bu)分(fen)為光(guang)(guang)學機械系統、光(guang)(guang)電轉換及微(wei)電流放(fang)大器,另一部(bu)分(fen)為由微(wei)控制器等組成的測量(liang)顯示儀表。
精密光(guang)(guang)電(dian)高(gao)溫(wen)計(ji)(ji)光(guang)(guang)學(xue)系(xi)統(tong)的(de)(de)設計(ji)(ji),參考了復現ITS-90的(de)(de)基準(zhun)(zhun)光(guang)(guang)電(dian)溫(wen)度比較儀的(de)(de)光(guang)(guang)學(xue)系(xi)統(tong)及(ji)國外(wai)同(tong)類(lei)儀器(qi)的(de)(de)方案。高(gao)溫(wen)計(ji)(ji)光(guang)(guang)學(xue)系(xi)統(tong)布置:被測輻射源(yuan)經物鏡(jing)(jing)成像于(yu)(yu)視場光(guang)(guang)闌(lan),視場光(guang)(guang)闌(lan)中心為直(zhi)徑0.2mm的(de)(de)圓(yuan)孔(kong),周圍為鏡(jing)(jing)反射面,用于(yu)(yu)瞄(miao)準(zhun)(zhun)。被測目標(biao)成像于(yu)(yu)圓(yuan)孔(kong)上(shang)(shang),其輻射經準(zhun)(zhun)直(zhi)鏡(jing)(jing)、限制光(guang)(guang)闌(lan)、干涉(she)(she)濾光(guang)(guang)片、減(jian)弱濾光(guang)(guang)片、準(zhun)(zhun)直(zhi)鏡(jing)(jing)后會(hui)聚到(dao)光(guang)(guang)電(dian)探(tan)測器(qi)上(shang)(shang)。限制光(guang)(guang)闌(lan)決定高(gao)溫(wen)計(ji)(ji)的(de)(de)孔(kong)徑比。可(ke)轉動的(de)(de)干涉(she)(she)濾光(guang)(guang)片輪上(shang)(shang)有四個(ge)安裝位置,可(ke)安裝三片不同(tong)波(bo)長的(de)(de)干涉(she)(she)濾光(guang)(guang)片,使光(guang)(guang)束單色(se)化,減(jian)弱濾光(guang)(guang)片用于(yu)(yu)擴展(zhan)測溫(wen)上(shang)(shang)限(使光(guang)(guang)電(dian)探(tan)測器(qi)工(gong)作于(yu)(yu)線(xian)性區域),為瞄(miao)準(zhun)(zhun)系(xi)統(tong)的(de)(de)反射鏡(jing)(jing),為瞄(miao)準(zhun)(zhun)物鏡(jing)(jing),為減(jian)光(guang)(guang)片(輪),為目鏡(jing)(jing)。
高溫計物鏡(jing)直(zhi)徑(jing)為(wei)68mm,焦距(ju)140mm,最(zui)小測量(liang)距(ju)離(li)約0.4m,最(zui)小測量(liang)靶面直(zhi)徑(jing)小于0.8mm,顯微物鏡(jing)和(he)目鏡(jing)放大(da)倍數(shu)為(wei)2×15。高溫計采(cai)用干(gan)涉濾光(guang)片為(wei)單色器,其中(zhong)心波(bo)長約為(wei)660nm,半(ban)寬帶約為(wei)10nm,長波(bo)截止至1200nm,830nm附近次(ci)峰透(tou)過(guo)率(lv)約為(wei)1×10-4;采(cai)用吸(xi)熱玻璃可(ke)(ke)將次(ci)峰透(tou)過(guo)率(lv)降低(di)1~2個數(shu)量(liang)級。根據(ju)需要可(ke)(ke)選(xuan)用900nm或950nm的紅外干(gan)涉濾光(guang)片。
雖然(ran)高溫(wen)計(ji)在(zai)小目標(biao)和窄(zhai)譜帶條(tiao)件下(xia)(xia)測量難度(du)增加,但在(zai)測量靶直徑(jing)為0.75mm條(tiao)件下(xia)(xia)使用時,測量靶的(de)(de)形狀大小、有(you)效(xiao)波(bo)長及光譜帶寬等參數(shu)(shu)與國(guo)家基準(zhun)的(de)(de)相應參數(shu)(shu)基本一致,避免了(le)溫(wen)度(du)基準(zhun)至標(biao)準(zhun)的(de)(de)傳遞過程(cheng)中因(yin)這些參數(shu)(shu)不同引起的(de)(de)系統誤差。
電流放大器通常有5~6個量程,其動態范圍滿足800℃~3200℃測溫范圍探測器光電流的測量要求。放大器的輸入失調電壓的變化將導致探測器光譜響應率的變化, 必須嚴格限制。由于測量信號微弱,對光電探測器及放大器采取了嚴格的屏蔽措施。帶有微(wei)處(chu)理機的(de)測(ce)(ce)量顯示(shi)儀表的(de)組成部分:測(ce)(ce)量顯示(shi)儀表在微(wei)處(chu)理器(qi)(qi)(qi)的(de)控制下完成對(dui)微(wei)電流放大器(qi)(qi)(qi)的(de)控制及對(dui)放大器(qi)(qi)(qi)輸出電壓的(de)AD轉換;按放大器(qi)(qi)(qi)相應(ying)量程增益(yi)計算(suan)光電流,并根據(ju)普(pu)朗克(ke)定(ding)律計算(suan)并顯示(shi)溫度值。可通過GPIB接口接收相應(ying)的(de)控制命(ming)令或發送測(ce)(ce)量數(shu)據(ju)、儀器(qi)(qi)(qi)狀態、參(can)數(shu)等(deng)。在800℃,高溫計的(de)分辨(bian)(bian)率優于0.05℃,在900℃時分辨(bian)(bian)率優于0.01℃。
根據(ju)普朗克定律測(ce)溫(wen)的(de)(de)前(qian)提之一(yi)是準確(que)確(que)定精(jing)密(mi)光(guang)(guang)電(dian)高溫(wen)計的(de)(de)有(you)效(xiao)(xiao)波(bo)(bo)長(chang)(chang)。它(ta)是高溫(wen)計光(guang)(guang)學系統光(guang)(guang)譜(pu)透(tou)過率、光(guang)(guang)電(dian)探(tan)測(ce)器光(guang)(guang)譜(pu)響應及被(bei)測(ce)溫(wen)度(du)(du)的(de)(de)函數(shu)。其數(shu)值(zhi)主要取決(jue)于干(gan)(gan)(gan)涉(she)(she)濾(lv)(lv)光(guang)(guang)片的(de)(de)光(guang)(guang)譜(pu)特性。干(gan)(gan)(gan)涉(she)(she)濾(lv)(lv)光(guang)(guang)片具有(you)顯著(zhu)的(de)(de)不(bu)均(jun)勻性,必須采用(yong)原地測(ce)量(liang)(liang)方法確(que)定高溫(wen)計有(you)效(xiao)(xiao)波(bo)(bo)長(chang)(chang),以減(jian)小(xiao)有(you)效(xiao)(xiao)波(bo)(bo)長(chang)(chang)的(de)(de)不(bu)確(que)定度(du)(du)。由于選用(yong)的(de)(de)中心波(bo)(bo)長(chang)(chang)約為660nm的(de)(de)干(gan)(gan)(gan)涉(she)(she)濾(lv)(lv)光(guang)(guang)片在(zai)830nm附近有(you)次峰,其峰值(zhi)透(tou)過率為10-4數(shu)量(liang)(liang)級。該次峰將導致有(you)效(xiao)(xiao)波(bo)(bo)長(chang)(chang)在(zai)較低(di)溫(wen)度(du)(du)時(shi)隨溫(wen)度(du)(du)降低(di)迅速增(zeng)大。為減(jian)小(xiao)次峰對(dui)(dui)有(you)效(xiao)(xiao)波(bo)(bo)長(chang)(chang)的(de)(de)影(ying)響,在(zai)干(gan)(gan)(gan)涉(she)(she)濾(lv)(lv)光(guang)(guang)片前(qian)加一(yi)吸(xi)熱(re)玻(bo)璃(li),使有(you)效(xiao)(xiao)波(bo)(bo)長(chang)(chang)隨溫(wen)度(du)(du)變(bian)化顯著(zhu)減(jian)小(xiao),同時(shi)也減(jian)小(xiao)了光(guang)(guang)電(dian)探(tan)測(ce)器光(guang)(guang)譜(pu)響應測(ce)量(liang)(liang)不(bu)確(que)定度(du)(du)對(dui)(dui)有(you)效(xiao)(xiao)波(bo)(bo)長(chang)(chang)不(bu)確(que)定度(du)(du)的(de)(de)影(ying)響。加吸(xi)熱(re)玻(bo)璃(li)前(qian)后(hou)干(gan)(gan)(gan)涉(she)(she)濾(lv)(lv)光(guang)(guang)片的(de)(de)光(guang)(guang)譜(pu)透(tou)過率及平均(jun)有(you)效(xiao)(xiao)波(bo)(bo)長(chang)(chang)計算結果。加吸(xi)熱(re)玻(bo)璃(li)后(hou)有(you)效(xiao)(xiao)波(bo)(bo)長(chang)(chang)隨溫(wen)度(du)(du)的(de)(de)變(bian)化顯著(zhu)減(jian)小(xiao)。
用真(zhen)空燈和充氣燈分(fen)度(du)高溫計的分(fen)度(du)重(zhong)復(fu)性,10天內(nei)分(fen)度(du)6次。實(shi)驗時室溫控(kong)制在(zai)22℃±1℃內(nei),燈座溫度(du)控(kong)制在(zai)21℃±0.3℃內(nei)。
由(you)于(yu)光(guang)學(xue)系統(tong)雜散(san)光(guang)及象差(cha)等(deng)因素的(de)(de)影響,高溫計測量(liang)溫度(du)一定的(de)(de)輻射(she)源時(shi),測量(liang)結果與被(bei)測源形狀大(da)小有關。高溫計在測量(liang)1000℃和2000℃的(de)(de)40mm面黑體(ti)時(shi),SSE的(de)(de)影響分(fen)(fen)別為0.13℃和0.43℃。該特性表(biao)明,用鎢(wu)帶燈分(fen)(fen)度(du)該高溫計,在測量(liang)黑體(ti)爐(lu)時(shi),若不做SSE修正也(ye)不致(zhi)產生顯著(zhu)的(de)(de)誤(wu)差(cha)。
測量距(ju)(ju)離(li)不同時高溫計光學系統的(de)透過率(lv)略有變化。用鎢(wu)帶燈和黑體爐測量了(le)高溫計放大(da)器輸出(chu)受測量距(ju)(ju)離(li)的(de)影響(DE)。在近距(ju)(ju)離(li)測量時要注意距(ju)(ju)離(li)變化的(de)影響。
精密(mi)(mi)光電(dian)高溫(wen)(wen)(wen)計(ji)(ji)在確(que)(que)(que)(que)定(ding)(ding)其(qi)有(you)效(xiao)波(bo)長和(he)放大器(qi)各量(liang)程增(zeng)益比后,僅需(xu)一個參考溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)點分度(du)(du)(du)(du),即可確(que)(que)(que)(que)定(ding)(ding)其(qi)溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)量(liang)值(忽略(lve)高溫(wen)(wen)(wen)計(ji)(ji)非(fei)線性的影(ying)(ying)響(xiang)(xiang))。作為(wei)溫(wen)(wen)(wen)標(biao)(biao)的傳(chuan)遞(di)標(biao)(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)(zhun)時,為(wei)與現行檢定(ding)(ding)方(fang)法統一,800℃~2200℃暫用工作基準(zhun)(zhun)(zhun)(zhun)燈(deng)檢定(ding)(ding)(或(huo)檢驗)精密(mi)(mi)(標(biao)(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)(zhun))光電(dian)高溫(wen)(wen)(wen)計(ji)(ji)。影(ying)(ying)響(xiang)(xiang)其(qi)不(bu)(bu)(bu)確(que)(que)(que)(que)定(ding)(ding)度(du)(du)(du)(du)的主要因(yin)素為(wei)以下6項:分度(du)(du)(du)(du)重(zhong)復(fu)性標(biao)(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)(zhun)不(bu)(bu)(bu)確(que)(que)(que)(que)定(ding)(ding)度(du)(du)(du)(du);標(biao)(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)(zhun)光電(dian)高溫(wen)(wen)(wen)計(ji)(ji)年穩定(ding)(ding)性的標(biao)(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)(zhun)不(bu)(bu)(bu)確(que)(que)(que)(que)定(ding)(ding)度(du)(du)(du)(du);工作基準(zhun)(zhun)(zhun)(zhun)燈(deng)的合成(cheng)標(biao)(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)(zhun)不(bu)(bu)(bu)確(que)(que)(que)(que)定(ding)(ding)度(du)(du)(du)(du);工作基準(zhun)(zhun)(zhun)(zhun)燈(deng)電(dian)測設備標(biao)(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)(zhun)不(bu)(bu)(bu)確(que)(que)(que)(que)定(ding)(ding)度(du)(du)(du)(du)(含(han)標(biao)(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)(zhun)電(dian)阻(zu)、電(dian)壓(ya)測量(liang)儀表和(he)穩流電(dian)源(yuan)紋波(bo)的影(ying)(ying)響(xiang)(xiang));有(you)效(xiao)波(bo)長的標(biao)(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)(zhun)不(bu)(bu)(bu)確(que)(que)(que)(que)定(ding)(ding)度(du)(du)(du)(du)(0.2nm)對鎢(wu)帶燈(deng)亮度(du)(du)(du)(du)溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)的影(ying)(ying)響(xiang)(xiang)u5;環(huan)境溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)對標(biao)(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)(zhun)光電(dian)高溫(wen)(wen)(wen)計(ji)(ji)影(ying)(ying)響(xiang)(xiang)的標(biao)(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)(zhun)不(bu)(bu)(bu)確(que)(que)(que)(que)定(ding)(ding)度(du)(du)(du)(du)。
當采(cai)用固定點(dian)(dian)作為(wei)溫度參(can)考(kao)點(dian)(dian)的分(fen)度方法時(shi),參(can)考(kao)點(dian)(dian)溫度不(bu)(bu)確定度對(dui)各溫度延伸點(dian)(dian)的影響都將(jiang)顯(xian)著減小(xiao)。由于本精密光電高溫計在(zai)設計上(shang)完全具備用單點(dian)(dian)分(fen)度的技術(shu)特點(dian)(dian),因此(ci)為(wei)將(jiang)來采(cai)用新分(fen)度方法傳遞溫標(biao)、減小(xiao)測溫不(bu)(bu)確定度打(da)下了良(liang)好基礎。
精(jing)密(mi)(mi)光電高(gao)(gao)溫計的(de)結構參(can)數和(he)性(xing)能不僅適用(yong)于溫度(du)(du)精(jing)密(mi)(mi)測(ce)量(liang)(liang),而且可作為溫標的(de)傳(chuan)遞標準。該高(gao)(gao)溫計在(zai)小目標和(he)窄譜帶(dai)的(de)測(ce)量(liang)(liang)條(tiao)件下(xia),具(ju)有(you)分辨率高(gao)(gao)、SSE小、自(zi)動化測(ce)量(liang)(liang)等(deng)特(te)點(dian)。采用(yong)原(yuan)地(di)測(ce)量(liang)(liang)有(you)效(xiao)波長(chang)標定技術,測(ce)溫范圍為800℃~3200℃。在(zai)660nm波長(chang)下(xia),900℃時(shi)溫度(du)(du)分辨率為0.01℃,在(zai)800℃~2200℃溫度(du)(du)范圍內,置信(xin)水平為0.99時(shi),擴(kuo)展不確定度(du)(du)為1.0℃~2.4℃。