中(zhong)國(guo)計量科學研(yan)究院在建立我國(guo)961.78℃以上溫(wen)區國(guo)際(ji)溫(wen)標(biao)(ITS-90)的(de)基(ji)礎上，研(yan)制(zhi)了用作溫(wen)標(biao)傳遞標(biao)準及精(jing)密測(ce)溫(wen)的(de)新型精(jing)密光(guang)電高溫(wen)計。
鑒于(yu)(yu)鎢帶燈和(he)黑(hei)體爐在(zai)(zai)溫(wen)標(biao)傳(chuan)遞中的(de)(de)重要(yao)(yao)地(di)位,新(xin)型(xing)光(guang)(guang)電(dian)高溫(wen)計具備測(ce)量目(mu)標(biao)小(xiao)和(he)輻(fu)(fu)射源(yuan)尺寸(cun)效應(Size-of-sourceeffect)小(xiao)的(de)(de)特點。新(xin)基(ji)準光(guang)(guang)電(dian)溫(wen)度(du)比較儀(yi)(yi)(yi)在(zai)(zai)設計時使(shi)其主要(yao)(yao)參數(shu)與(yu)(yu)國際建議(yi)一致;同樣,新(xin)光(guang)(guang)電(dian)高溫(wen)計在(zai)(zai)被測(ce)目(mu)標(biao)形狀、面積、受(shou)光(guang)(guang)立體角(jiao)、儀(yi)(yi)(yi)器(qi)(qi)光(guang)(guang)譜(pu)帶寬等(deng)參數(shu)及(ji)儀(yi)(yi)(yi)器(qi)(qi)結構上與(yu)(yu)國家基(ji)準比較儀(yi)(yi)(yi)保持基(ji)本(ben)一致,以避(bi)免因(yin)基(ji)準和(he)標(biao)準儀(yi)(yi)(yi)器(qi)(qi)的(de)(de)差異在(zai)(zai)溫(wen)度(du)量值(zhi)傳(chuan)遞的(de)(de)過(guo)程(cheng)中產生(sheng)顯著的(de)(de)系(xi)統(tong)誤差。由于(yu)(yu)該高溫(wen)計的(de)(de)光(guang)(guang)電(dian)探測(ce)器(qi)(qi)輸出與(yu)(yu)被測(ce)目(mu)標(biao)的(de)(de)光(guang)(guang)譜(pu)輻(fu)(fu)射亮度(du)呈現(xian)很好的(de)(de)線性關系(xi),并(bing)在(zai)(zai)我國首次將原地(di)測(ce)量有(you)效波長方法應用于(yu)(yu)傳(chuan)遞溫(wen)標(biao)的(de)(de)高溫(wen)計,因(yin)此,可(ke)直接由內部微控(kong)制器(qi)(qi)依據普朗(lang)克定律(lv)計算被測(ce)溫(wen)度(du);具有(you)數(shu)字濾波、自動暗電(dian)流(liu)修(xiu)正及(ji)發射率修(xiu)正等(deng)功能,具備GPIB接口(kou)功能,便于(yu)(yu)組成(cheng)自動化測(ce)試系(xi)統(tong)。
該高(gao)溫(wen)(wen)計在660nm波長(chang)、900℃時溫(wen)(wen)度(du)分辨率為0.01℃;在800℃～2200℃溫(wen)(wen)度(du)范圍、置信(xin)水平為0.99時,擴展不確定度(du)為1.0℃～2.4℃。精密(mi)光電高(gao)溫(wen)(wen)計的結構參數(shu)和性能適(shi)合溫(wen)(wen)度(du)精密(mi)測量并作為溫(wen)(wen)標的傳遞標準,也為高(gao)溫(wen)(wen)溫(wen)(wen)標采(cai)用(yong)多波長(chang)傳遞方法及固定點分度(du)等技(ji)術(shu)創造了條件。
按(an)功(gong)能劃(hua)分(fen)高溫計(ji)在形式上分(fen)為兩(liang)部(bu)分(fen)。一部(bu)分(fen)為光學機(ji)械系統、光電轉換(huan)及微電流(liu)放大器,另一部(bu)分(fen)為由微控制器等組成的(de)測量顯示儀表。
精密光(guang)(guang)(guang)(guang)電高溫(wen)計(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)學系(xi)(xi)統(tong)(tong)的(de)設計(ji),參考了復現(xian)ITS-90的(de)基準(zhun)(zhun)(zhun)光(guang)(guang)(guang)(guang)電溫(wen)度比較儀的(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)學系(xi)(xi)統(tong)(tong)及國外同(tong)類儀器的(de)方(fang)案(an)。高溫(wen)計(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)學系(xi)(xi)統(tong)(tong)布置：被測輻射(she)(she)源經物鏡成像于(yu)(yu)視場光(guang)(guang)(guang)(guang)闌(lan),視場光(guang)(guang)(guang)(guang)闌(lan)中心為(wei)(wei)(wei)直徑(jing)0.2mm的(de)圓(yuan)孔,周圍為(wei)(wei)(wei)鏡反射(she)(she)面,用于(yu)(yu)瞄(miao)準(zhun)(zhun)(zhun)。被測目標成像于(yu)(yu)圓(yuan)孔上,其輻射(she)(she)經準(zhun)(zhun)(zhun)直鏡、限制(zhi)光(guang)(guang)(guang)(guang)闌(lan)、干(gan)(gan)涉濾(lv)(lv)光(guang)(guang)(guang)(guang)片(pian)、減(jian)弱(ruo)濾(lv)(lv)光(guang)(guang)(guang)(guang)片(pian)、準(zhun)(zhun)(zhun)直鏡后會聚到光(guang)(guang)(guang)(guang)電探(tan)測器上。限制(zhi)光(guang)(guang)(guang)(guang)闌(lan)決定高溫(wen)計(ji)的(de)孔徑(jing)比。可(ke)轉動的(de)干(gan)(gan)涉濾(lv)(lv)光(guang)(guang)(guang)(guang)片(pian)輪上有四個(ge)安(an)裝位(wei)置,可(ke)安(an)裝三片(pian)不同(tong)波長的(de)干(gan)(gan)涉濾(lv)(lv)光(guang)(guang)(guang)(guang)片(pian),使光(guang)(guang)(guang)(guang)束(shu)單(dan)色化,減(jian)弱(ruo)濾(lv)(lv)光(guang)(guang)(guang)(guang)片(pian)用于(yu)(yu)擴(kuo)展(zhan)測溫(wen)上限(使光(guang)(guang)(guang)(guang)電探(tan)測器工作于(yu)(yu)線性區(qu)域),為(wei)(wei)(wei)瞄(miao)準(zhun)(zhun)(zhun)系(xi)(xi)統(tong)(tong)的(de)反射(she)(she)鏡,為(wei)(wei)(wei)瞄(miao)準(zhun)(zhun)(zhun)物鏡,為(wei)(wei)(wei)減(jian)光(guang)(guang)(guang)(guang)片(pian)(輪),為(wei)(wei)(wei)目鏡。
高(gao)溫計物鏡直(zhi)徑(jing)(jing)為68mm,焦(jiao)距(ju)140mm,最小(xiao)(xiao)測量(liang)距(ju)離約0.4m,最小(xiao)(xiao)測量(liang)靶面直(zhi)徑(jing)(jing)小(xiao)(xiao)于0.8mm,顯(xian)微物鏡和(he)目鏡放大(da)倍(bei)數為2×15。高(gao)溫計采用(yong)干(gan)(gan)涉濾(lv)光(guang)片為單(dan)色器(qi),其(qi)中心波(bo)長約為660nm,半寬(kuan)帶約為10nm,長波(bo)截(jie)止至(zhi)1200nm,830nm附近(jin)次峰(feng)透(tou)過率約為1×10-4；采用(yong)吸熱玻璃可將(jiang)次峰(feng)透(tou)過率降低1～2個數量(liang)級。根據需要可選用(yong)900nm或(huo)950nm的(de)紅外干(gan)(gan)涉濾(lv)光(guang)片。
雖然高溫計(ji)在小(xiao)目標和(he)窄譜(pu)(pu)帶條(tiao)件(jian)下測(ce)量難度增加,但在測(ce)量靶直徑為0.75mm條(tiao)件(jian)下使用(yong)時(shi),測(ce)量靶的(de)(de)形狀(zhuang)大小(xiao)、有效(xiao)波長(chang)及(ji)光譜(pu)(pu)帶寬等(deng)參(can)數(shu)與國家基準的(de)(de)相應參(can)數(shu)基本一致(zhi),避免了溫度基準至標準的(de)(de)傳(chuan)遞過程中因這些參(can)數(shu)不同引起的(de)(de)系統誤(wu)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(li)機(ji)的(de)測量顯示(shi)儀表的(de)組成部分(fen)：測量顯示(shi)儀表在微(wei)處(chu)理(li)器(qi)的(de)控制下(xia)完成對微(wei)電流(liu)放大(da)(da)器(qi)的(de)控制及對放大(da)(da)器(qi)輸出電壓的(de)AD轉換;按放大(da)(da)器(qi)相應量程增益計(ji)算光電流(liu),并根據普朗克定律(lv)計(ji)算并顯示(shi)溫(wen)度值。可通過GPIB接口接收相應的(de)控制命(ming)令(ling)或(huo)發送測量數(shu)(shu)據、儀器(qi)狀(zhuang)態、參數(shu)(shu)等(deng)。在800℃,高溫(wen)計(ji)的(de)分(fen)辨(bian)率優于(yu)0.05℃,在900℃時分(fen)辨(bian)率優于(yu)0.01℃。
根據普朗(lang)克(ke)定(ding)(ding)律測溫(wen)(wen)的(de)(de)前(qian)提之一是準(zhun)確(que)(que)確(que)(que)定(ding)(ding)精密光(guang)(guang)(guang)(guang)電高溫(wen)(wen)計(ji)的(de)(de)有(you)(you)(you)(you)效(xiao)(xiao)(xiao)波(bo)(bo)長(chang)(chang)。它是高溫(wen)(wen)計(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)學系統(tong)光(guang)(guang)(guang)(guang)譜(pu)透(tou)過率、光(guang)(guang)(guang)(guang)電探(tan)測器光(guang)(guang)(guang)(guang)譜(pu)響(xiang)應(ying)及(ji)被(bei)測溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)函數。其數值主要取(qu)決于(yu)(yu)干(gan)涉(she)(she)濾(lv)光(guang)(guang)(guang)(guang)片(pian)的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)譜(pu)特性(xing)。干(gan)涉(she)(she)濾(lv)光(guang)(guang)(guang)(guang)片(pian)具有(you)(you)(you)(you)顯(xian)著的(de)(de)不均(jun)勻性(xing),必須采用原地測量方(fang)法確(que)(que)定(ding)(ding)高溫(wen)(wen)計(ji)有(you)(you)(you)(you)效(xiao)(xiao)(xiao)波(bo)(bo)長(chang)(chang),以減(jian)(jian)小(xiao)有(you)(you)(you)(you)效(xiao)(xiao)(xiao)波(bo)(bo)長(chang)(chang)的(de)(de)不確(que)(que)定(ding)(ding)度(du)(du)(du)(du)。由于(yu)(yu)選用的(de)(de)中心波(bo)(bo)長(chang)(chang)約為(wei)(wei)660nm的(de)(de)干(gan)涉(she)(she)濾(lv)光(guang)(guang)(guang)(guang)片(pian)在830nm附近有(you)(you)(you)(you)次(ci)峰,其峰值透(tou)過率為(wei)(wei)10-4數量級。該次(ci)峰將導致有(you)(you)(you)(you)效(xiao)(xiao)(xiao)波(bo)(bo)長(chang)(chang)在較(jiao)低溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)時(shi)隨溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)降(jiang)低迅速增大(da)。為(wei)(wei)減(jian)(jian)小(xiao)次(ci)峰對有(you)(you)(you)(you)效(xiao)(xiao)(xiao)波(bo)(bo)長(chang)(chang)的(de)(de)影響(xiang),在干(gan)涉(she)(she)濾(lv)光(guang)(guang)(guang)(guang)片(pian)前(qian)加(jia)(jia)一吸(xi)熱玻(bo)璃(li),使有(you)(you)(you)(you)效(xiao)(xiao)(xiao)波(bo)(bo)長(chang)(chang)隨溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)變化顯(xian)著減(jian)(jian)小(xiao),同時(shi)也(ye)減(jian)(jian)小(xiao)了(le)光(guang)(guang)(guang)(guang)電探(tan)測器光(guang)(guang)(guang)(guang)譜(pu)響(xiang)應(ying)測量不確(que)(que)定(ding)(ding)度(du)(du)(du)(du)對有(you)(you)(you)(you)效(xiao)(xiao)(xiao)波(bo)(bo)長(chang)(chang)不確(que)(que)定(ding)(ding)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)影響(xiang)。加(jia)(jia)吸(xi)熱玻(bo)璃(li)前(qian)后干(gan)涉(she)(she)濾(lv)光(guang)(guang)(guang)(guang)片(pian)的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)譜(pu)透(tou)過率及(ji)平均(jun)有(you)(you)(you)(you)效(xiao)(xiao)(xiao)波(bo)(bo)長(chang)(chang)計(ji)算(suan)結果。加(jia)(jia)吸(xi)熱玻(bo)璃(li)后有(you)(you)(you)(you)效(xiao)(xiao)(xiao)波(bo)(bo)長(chang)(chang)隨溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)變化顯(xian)著減(jian)(jian)小(xiao)。
用真空燈(deng)和充氣燈(deng)分度(du)(du)高溫計(ji)的分度(du)(du)重復性,10天內(nei)分度(du)(du)6次(ci)。實驗時室溫控制在22℃±1℃內(nei),燈(deng)座溫度(du)(du)控制在21℃±0.3℃內(nei)。
由(you)于光學(xue)系統雜散光及象差(cha)等因素的影(ying)響,高溫(wen)計(ji)測量(liang)溫(wen)度(du)一定的輻(fu)射源時,測量(liang)結果與被(bei)測源形(xing)狀大小有關。高溫(wen)計(ji)在(zai)測量(liang)1000℃和2000℃的40mm面黑(hei)(hei)體時,SSE的影(ying)響分別(bie)為(wei)0.13℃和0.43℃。該(gai)特性表(biao)明,用鎢(wu)帶燈(deng)分度(du)該(gai)高溫(wen)計(ji),在(zai)測量(liang)黑(hei)(hei)體爐時,若不做SSE修正(zheng)也不致產生顯著(zhu)的誤差(cha)。
測量(liang)(liang)距離不同時(shi)高溫(wen)計光學系統的(de)(de)透(tou)過率略有變(bian)化。用鎢帶燈和黑體爐測量(liang)(liang)了高溫(wen)計放大器輸(shu)出(chu)受測量(liang)(liang)距離的(de)(de)影響(xiang)(DE)。在(zai)近距離測量(liang)(liang)時(shi)要注意(yi)距離變(bian)化的(de)(de)影響(xiang)。
精(jing)密(mi)光(guang)電(dian)(dian)高(gao)溫(wen)(wen)計(ji)(ji)在確定(ding)(ding)其有效(xiao)波(bo)長和放大器各量程增益比后,僅需一個(ge)參考溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)點分度(du)(du)(du)(du),即可確定(ding)(ding)其溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)量值(忽略高(gao)溫(wen)(wen)計(ji)(ji)非(fei)線性的(de)影響(xiang)(xiang))。作為溫(wen)(wen)標(biao)(biao)的(de)傳遞標(biao)(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)(zhun)時(shi),為與現行檢定(ding)(ding)方法(fa)統一,800℃～2200℃暫用工作基準(zhun)(zhun)(zhun)(zhun)燈檢定(ding)(ding)(或檢驗)精(jing)密(mi)(標(biao)(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)(zhun))光(guang)電(dian)(dian)高(gao)溫(wen)(wen)計(ji)(ji)。影響(xiang)(xiang)其不(bu)(bu)(bu)確定(ding)(ding)度(du)(du)(du)(du)的(de)主(zhu)要因(yin)素(su)為以下6項(xiang):分度(du)(du)(du)(du)重復(fu)性標(biao)(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)(zhun)不(bu)(bu)(bu)確定(ding)(ding)度(du)(du)(du)(du);標(biao)(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)(zhun)光(guang)電(dian)(dian)高(gao)溫(wen)(wen)計(ji)(ji)年(nian)穩定(ding)(ding)性的(de)標(biao)(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)(zhun)不(bu)(bu)(bu)確定(ding)(ding)度(du)(du)(du)(du);工作基準(zhun)(zhun)(zhun)(zhun)燈的(de)合成標(biao)(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)(zhun)不(bu)(bu)(bu)確定(ding)(ding)度(du)(du)(du)(du);工作基準(zhun)(zhun)(zhun)(zhun)燈電(dian)(dian)測設備標(biao)(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)(zhun)不(bu)(bu)(bu)確定(ding)(ding)度(du)(du)(du)(du)(含標(biao)(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)(zhun)電(dian)(dian)阻、電(dian)(dian)壓測量儀表和穩流(liu)電(dian)(dian)源紋波(bo)的(de)影響(xiang)(xiang));有效(xiao)波(bo)長的(de)標(biao)(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)(zhun)不(bu)(bu)(bu)確定(ding)(ding)度(du)(du)(du)(du)(0.2nm)對鎢帶燈亮度(du)(du)(du)(du)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)的(de)影響(xiang)(xiang)u5;環境溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)對標(biao)(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)(zhun)光(guang)電(dian)(dian)高(gao)溫(wen)(wen)計(ji)(ji)影響(xiang)(xiang)的(de)標(biao)(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)(zhun)不(bu)(bu)(bu)確定(ding)(ding)度(du)(du)(du)(du)。
當采用(yong)固定點(dian)作為溫(wen)(wen)度(du)參考(kao)點(dian)的分(fen)度(du)方(fang)法時(shi),參考(kao)點(dian)溫(wen)(wen)度(du)不確(que)(que)定度(du)對各(ge)溫(wen)(wen)度(du)延伸點(dian)的影(ying)響都將顯著減小。由于本(ben)精密光電高溫(wen)(wen)計(ji)在設計(ji)上完(wan)全具備用(yong)單點(dian)分(fen)度(du)的技術特(te)點(dian),因此為將來采用(yong)新(xin)分(fen)度(du)方(fang)法傳遞溫(wen)(wen)標、減小測溫(wen)(wen)不確(que)(que)定度(du)打下了良好基(ji)礎。
精密光電高(gao)溫(wen)(wen)計的結(jie)構參數和性能不僅適(shi)用于溫(wen)(wen)度(du)精密測量,而(er)且可作(zuo)為(wei)(wei)溫(wen)(wen)標(biao)的傳(chuan)遞標(biao)準。該高(gao)溫(wen)(wen)計在(zai)小(xiao)目標(biao)和窄譜帶的測量條件(jian)下,具(ju)有分辨率高(gao)、SSE小(xiao)、自動化測量等(deng)特點(dian)。采用原地測量有效波(bo)長(chang)標(biao)定技術,測溫(wen)(wen)范圍為(wei)(wei)800℃～3200℃。在(zai)660nm波(bo)長(chang)下,900℃時溫(wen)(wen)度(du)分辨率為(wei)(wei)0.01℃,在(zai)800℃～2200℃溫(wen)(wen)度(du)范圍內,置信水平為(wei)(wei)0.99時,擴展(zhan)不確定度(du)為(wei)(wei)1.0℃～2.4℃。
