中(zhong)國計量科學研究院在建(jian)立(li)我國961.78℃以上溫(wen)區國際溫(wen)標(biao)(ITS-90)的基礎上,研制(zhi)了(le)用作溫(wen)標(biao)傳遞標(biao)準(zhun)及精(jing)(jing)密測溫(wen)的新型精(jing)(jing)密光電(dian)高溫(wen)計。
鑒于鎢帶燈和(he)黑體爐(lu)在(zai)(zai)溫(wen)(wen)標傳(chuan)遞中(zhong)的(de)(de)重(zhong)要(yao)地位,新(xin)型(xing)光(guang)(guang)電高(gao)(gao)溫(wen)(wen)計(ji)具備(bei)測(ce)量(liang)目(mu)(mu)標小和(he)輻射源(yuan)尺(chi)寸(cun)效應(ying)(Size-of-sourceeffect)小的(de)(de)特(te)點。新(xin)基(ji)準(zhun)光(guang)(guang)電溫(wen)(wen)度(du)比較儀(yi)在(zai)(zai)設計(ji)時使其主要(yao)參(can)數(shu)與國(guo)際建議一致(zhi);同樣,新(xin)光(guang)(guang)電高(gao)(gao)溫(wen)(wen)計(ji)在(zai)(zai)被測(ce)目(mu)(mu)標形狀、面積、受(shou)光(guang)(guang)立體角、儀(yi)器光(guang)(guang)譜帶寬等參(can)數(shu)及儀(yi)器結(jie)構上(shang)與國(guo)家基(ji)準(zhun)比較儀(yi)保持基(ji)本一致(zhi),以避免因(yin)基(ji)準(zhun)和(he)標準(zhun)儀(yi)器的(de)(de)差(cha)異(yi)在(zai)(zai)溫(wen)(wen)度(du)量(liang)值(zhi)傳(chuan)遞的(de)(de)過程中(zhong)產(chan)生顯著的(de)(de)系統(tong)誤差(cha)。由(you)于該高(gao)(gao)溫(wen)(wen)計(ji)的(de)(de)光(guang)(guang)電探測(ce)器輸出與被測(ce)目(mu)(mu)標的(de)(de)光(guang)(guang)譜輻射亮度(du)呈現很好(hao)的(de)(de)線性關(guan)系,并(bing)在(zai)(zai)我國(guo)首次將原(yuan)地測(ce)量(liang)有效波長方法應(ying)用于傳(chuan)遞溫(wen)(wen)標的(de)(de)高(gao)(gao)溫(wen)(wen)計(ji),因(yin)此,可直(zhi)接由(you)內部微(wei)控制器依據普朗(lang)克定律計(ji)算被測(ce)溫(wen)(wen)度(du);具有數(shu)字(zi)濾波、自動暗電流修正及發射率修正等功能(neng),具備(bei)GPIB接口功能(neng),便于組成(cheng)自動化測(ce)試系統(tong)。
該高溫(wen)(wen)計(ji)(ji)在(zai)660nm波長、900℃時(shi)溫(wen)(wen)度(du)分辨率為0.01℃;在(zai)800℃~2200℃溫(wen)(wen)度(du)范圍、置信水平(ping)為0.99時(shi),擴展不確定(ding)度(du)為1.0℃~2.4℃。精(jing)密光電(dian)高溫(wen)(wen)計(ji)(ji)的結構參(can)數和性能(neng)適合溫(wen)(wen)度(du)精(jing)密測量并作為溫(wen)(wen)標的傳遞標準(zhun),也為高溫(wen)(wen)溫(wen)(wen)標采用多波長傳遞方法及固定(ding)點分度(du)等技術創造了條(tiao)件。
按(an)功能劃分高溫計在形式上分為兩部(bu)分。一部(bu)分為光學(xue)機(ji)械系統(tong)、光電轉換及微電流放大器,另一部(bu)分為由微控制器等(deng)組成的測量顯示儀表。
精(jing)密光(guang)(guang)(guang)電(dian)高(gao)(gao)溫計(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)學(xue)系(xi)統的(de)設(she)計(ji)(ji),參考了復現ITS-90的(de)基準(zhun)(zhun)光(guang)(guang)(guang)電(dian)溫度比(bi)較儀的(de)光(guang)(guang)(guang)學(xue)系(xi)統及國(guo)外同類儀器的(de)方案。高(gao)(gao)溫計(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)學(xue)系(xi)統布置:被測輻(fu)射源(yuan)經物鏡(jing)成(cheng)像于(yu)視場(chang)光(guang)(guang)(guang)闌(lan),視場(chang)光(guang)(guang)(guang)闌(lan)中心為(wei)(wei)直(zhi)徑0.2mm的(de)圓(yuan)孔,周圍為(wei)(wei)鏡(jing)反(fan)射面,用(yong)于(yu)瞄(miao)準(zhun)(zhun)。被測目標成(cheng)像于(yu)圓(yuan)孔上(shang),其輻(fu)射經準(zhun)(zhun)直(zhi)鏡(jing)、限制光(guang)(guang)(guang)闌(lan)、干(gan)涉濾(lv)光(guang)(guang)(guang)片、減(jian)(jian)弱濾(lv)光(guang)(guang)(guang)片、準(zhun)(zhun)直(zhi)鏡(jing)后會聚到(dao)光(guang)(guang)(guang)電(dian)探測器上(shang)。限制光(guang)(guang)(guang)闌(lan)決(jue)定高(gao)(gao)溫計(ji)(ji)的(de)孔徑比(bi)。可(ke)轉動的(de)干(gan)涉濾(lv)光(guang)(guang)(guang)片輪上(shang)有四個安裝位置,可(ke)安裝三片不同波長的(de)干(gan)涉濾(lv)光(guang)(guang)(guang)片,使(shi)光(guang)(guang)(guang)束單(dan)色(se)化,減(jian)(jian)弱濾(lv)光(guang)(guang)(guang)片用(yong)于(yu)擴展(zhan)測溫上(shang)限(使(shi)光(guang)(guang)(guang)電(dian)探測器工作于(yu)線性區域(yu)),為(wei)(wei)瞄(miao)準(zhun)(zhun)系(xi)統的(de)反(fan)射鏡(jing),為(wei)(wei)瞄(miao)準(zhun)(zhun)物鏡(jing),為(wei)(wei)減(jian)(jian)光(guang)(guang)(guang)片(輪),為(wei)(wei)目鏡(jing)。
高(gao)溫計物(wu)鏡(jing)直徑(jing)為68mm,焦距140mm,最(zui)小(xiao)測量距離約(yue)0.4m,最(zui)小(xiao)測量靶面直徑(jing)小(xiao)于0.8mm,顯微物(wu)鏡(jing)和目鏡(jing)放(fang)大倍數為2×15。高(gao)溫計采(cai)用干涉(she)濾光(guang)片(pian)為單色(se)器,其中(zhong)心波長約(yue)為660nm,半寬(kuan)帶約(yue)為10nm,長波截止至1200nm,830nm附近次峰(feng)透過(guo)率(lv)約(yue)為1×10-4;采(cai)用吸熱玻(bo)璃可將(jiang)次峰(feng)透過(guo)率(lv)降低(di)1~2個數量級。根(gen)據需要可選用900nm或950nm的紅(hong)外干涉(she)濾光(guang)片(pian)。
雖(sui)然高溫(wen)計在(zai)小(xiao)目標(biao)和窄譜帶條件下測(ce)量難度增加,但(dan)在(zai)測(ce)量靶(ba)直(zhi)徑(jing)為0.75mm條件下使用(yong)時,測(ce)量靶(ba)的(de)(de)形狀大小(xiao)、有(you)效波長及光譜帶寬等參數(shu)與國(guo)家基(ji)準(zhun)的(de)(de)相應參數(shu)基(ji)本一致,避免了溫(wen)度基(ji)準(zhun)至標(biao)準(zhun)的(de)(de)傳遞過程中因這些(xie)參數(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。帶有微處(chu)理機的測量(liang)顯示儀表(biao)(biao)的組成部分:測量(liang)顯示儀表(biao)(biao)在微處(chu)理器(qi)的控制下完成對微電(dian)流放大(da)器(qi)的控制及對放大(da)器(qi)輸(shu)出電(dian)壓的AD轉(zhuan)換(huan);按放大(da)器(qi)相應(ying)量(liang)程增益(yi)計(ji)算光(guang)電(dian)流,并根據(ju)普朗克定律計(ji)算并顯示溫(wen)度(du)值。可通過GPIB接口接收相應(ying)的控制命令或發送測量(liang)數(shu)據(ju)、儀器(qi)狀態、參數(shu)等。在800℃,高(gao)溫(wen)計(ji)的分辨率優(you)于(yu)0.05℃,在900℃時(shi)分辨率優(you)于(yu)0.01℃。
根據(ju)普(pu)朗(lang)克定(ding)律測(ce)(ce)溫(wen)(wen)的(de)(de)前(qian)提之(zhi)一(yi)(yi)是(shi)準確(que)確(que)定(ding)精密光(guang)(guang)(guang)電(dian)高(gao)溫(wen)(wen)計(ji)的(de)(de)有(you)(you)(you)效(xiao)波(bo)(bo)長(chang)(chang)。它是(shi)高(gao)溫(wen)(wen)計(ji)光(guang)(guang)(guang)學系(xi)統光(guang)(guang)(guang)譜透過率、光(guang)(guang)(guang)電(dian)探測(ce)(ce)器光(guang)(guang)(guang)譜響(xiang)應(ying)(ying)及被(bei)測(ce)(ce)溫(wen)(wen)度(du)的(de)(de)函(han)數。其(qi)數值(zhi)主要取(qu)決于(yu)干(gan)涉(she)(she)(she)濾光(guang)(guang)(guang)片(pian)的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)譜特性(xing)。干(gan)涉(she)(she)(she)濾光(guang)(guang)(guang)片(pian)具有(you)(you)(you)顯(xian)(xian)(xian)著的(de)(de)不(bu)均勻性(xing),必須采用原地測(ce)(ce)量方(fang)法(fa)確(que)定(ding)高(gao)溫(wen)(wen)計(ji)有(you)(you)(you)效(xiao)波(bo)(bo)長(chang)(chang),以減(jian)(jian)小(xiao)(xiao)有(you)(you)(you)效(xiao)波(bo)(bo)長(chang)(chang)的(de)(de)不(bu)確(que)定(ding)度(du)。由于(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)(she)濾光(guang)(guang)(guang)片(pian)在830nm附近有(you)(you)(you)次峰,其(qi)峰值(zhi)透過率為(wei)(wei)10-4數量級。該次峰將導(dao)致有(you)(you)(you)效(xiao)波(bo)(bo)長(chang)(chang)在較低溫(wen)(wen)度(du)時(shi)隨溫(wen)(wen)度(du)降低迅速增大。為(wei)(wei)減(jian)(jian)小(xiao)(xiao)次峰對(dui)有(you)(you)(you)效(xiao)波(bo)(bo)長(chang)(chang)的(de)(de)影響(xiang),在干(gan)涉(she)(she)(she)濾光(guang)(guang)(guang)片(pian)前(qian)加(jia)一(yi)(yi)吸熱(re)玻璃(li),使有(you)(you)(you)效(xiao)波(bo)(bo)長(chang)(chang)隨溫(wen)(wen)度(du)變化顯(xian)(xian)(xian)著減(jian)(jian)小(xiao)(xiao),同時(shi)也減(jian)(jian)小(xiao)(xiao)了光(guang)(guang)(guang)電(dian)探測(ce)(ce)器光(guang)(guang)(guang)譜響(xiang)應(ying)(ying)測(ce)(ce)量不(bu)確(que)定(ding)度(du)對(dui)有(you)(you)(you)效(xiao)波(bo)(bo)長(chang)(chang)不(bu)確(que)定(ding)度(du)的(de)(de)影響(xiang)。加(jia)吸熱(re)玻璃(li)前(qian)后(hou)(hou)干(gan)涉(she)(she)(she)濾光(guang)(guang)(guang)片(pian)的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)譜透過率及平均有(you)(you)(you)效(xiao)波(bo)(bo)長(chang)(chang)計(ji)算結果。加(jia)吸熱(re)玻璃(li)后(hou)(hou)有(you)(you)(you)效(xiao)波(bo)(bo)長(chang)(chang)隨溫(wen)(wen)度(du)的(de)(de)變化顯(xian)(xian)(xian)著減(jian)(jian)小(xiao)(xiao)。
用真(zhen)空燈(deng)和充氣燈(deng)分(fen)度(du)高溫計的分(fen)度(du)重復(fu)性,10天內(nei)分(fen)度(du)6次(ci)。實驗時室(shi)溫控制在22℃±1℃內(nei),燈(deng)座溫度(du)控制在21℃±0.3℃內(nei)。
由于光(guang)(guang)學系統(tong)雜散(san)光(guang)(guang)及象(xiang)差等因(yin)素(su)的(de)(de)影響,高溫計測(ce)量溫度一定的(de)(de)輻射(she)源(yuan)時,測(ce)量結果與被測(ce)源(yuan)形狀(zhuang)大小有關。高溫計在測(ce)量1000℃和(he)2000℃的(de)(de)40mm面黑(hei)體時,SSE的(de)(de)影響分別為0.13℃和(he)0.43℃。該(gai)特性表明,用鎢帶(dai)燈分度該(gai)高溫計,在測(ce)量黑(hei)體爐時,若不做(zuo)SSE修正也不致產(chan)生顯著的(de)(de)誤(wu)差。
測(ce)量(liang)(liang)距離不同時(shi)高(gao)溫(wen)計光學系統(tong)的(de)透過(guo)率(lv)略(lve)有(you)變化(hua)。用鎢帶燈和黑體爐測(ce)量(liang)(liang)了高(gao)溫(wen)計放大器輸出受測(ce)量(liang)(liang)距離的(de)影響(DE)。在近距離測(ce)量(liang)(liang)時(shi)要注意距離變化(hua)的(de)影響。
精密光電(dian)高溫(wen)(wen)計在確(que)(que)(que)定其有效(xiao)波長(chang)和放大器各量程增益比后,僅(jin)需(xu)一(yi)個參考溫(wen)(wen)度(du)(du)點(dian)分度(du)(du),即可確(que)(que)(que)定其溫(wen)(wen)度(du)(du)量值(忽略高溫(wen)(wen)計非線性的影(ying)響)。作(zuo)(zuo)為(wei)溫(wen)(wen)標(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)的傳遞標(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)時,為(wei)與現行檢(jian)(jian)定方法(fa)統一(yi),800℃~2200℃暫用工作(zuo)(zuo)基準(zhun)(zhun)(zhun)燈(deng)(deng)檢(jian)(jian)定(或(huo)檢(jian)(jian)驗)精密(標(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)準(zhun)(zhun)(zhun))光電(dian)高溫(wen)(wen)計。影(ying)響其不確(que)(que)(que)定度(du)(du)的主要因素為(wei)以(yi)下6項:分度(du)(du)重復性標(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)不確(que)(que)(que)定度(du)(du);標(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)光電(dian)高溫(wen)(wen)計年穩定性的標(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)不確(que)(que)(que)定度(du)(du);工作(zuo)(zuo)基準(zhun)(zhun)(zhun)燈(deng)(deng)的合(he)成標(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)不確(que)(que)(que)定度(du)(du);工作(zuo)(zuo)基準(zhun)(zhun)(zhun)燈(deng)(deng)電(dian)測(ce)設備標(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)不確(que)(que)(que)定度(du)(du)(含標(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)電(dian)阻、電(dian)壓測(ce)量儀表和穩流電(dian)源紋波的影(ying)響);有效(xiao)波長(chang)的標(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)不確(que)(que)(que)定度(du)(du)(0.2nm)對鎢(wu)帶燈(deng)(deng)亮度(du)(du)溫(wen)(wen)度(du)(du)的影(ying)響u5;環境溫(wen)(wen)度(du)(du)對標(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)光電(dian)高溫(wen)(wen)計影(ying)響的標(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)不確(que)(que)(que)定度(du)(du)。
當采(cai)用(yong)(yong)固定點(dian)(dian)(dian)(dian)作為溫(wen)度(du)(du)參考(kao)(kao)點(dian)(dian)(dian)(dian)的(de)分(fen)度(du)(du)方法(fa)時,參考(kao)(kao)點(dian)(dian)(dian)(dian)溫(wen)度(du)(du)不(bu)確定度(du)(du)對各溫(wen)度(du)(du)延伸點(dian)(dian)(dian)(dian)的(de)影響都(dou)將(jiang)(jiang)顯著(zhu)減小(xiao)。由(you)于本精密光電高溫(wen)計(ji)在設計(ji)上完全具備用(yong)(yong)單點(dian)(dian)(dian)(dian)分(fen)度(du)(du)的(de)技(ji)術特點(dian)(dian)(dian)(dian),因此為將(jiang)(jiang)來采(cai)用(yong)(yong)新分(fen)度(du)(du)方法(fa)傳遞(di)溫(wen)標、減小(xiao)測溫(wen)不(bu)確定度(du)(du)打下了良好基礎。
精密(mi)光電(dian)高(gao)溫計(ji)的結構參(can)數和(he)性(xing)能不僅(jin)適用于溫度精密(mi)測(ce)(ce)量(liang),而且可作(zuo)為(wei)溫標的傳遞(di)標準(zhun)。該高(gao)溫計(ji)在(zai)小目標和(he)窄譜帶(dai)的測(ce)(ce)量(liang)條件下,具(ju)有(you)分辨率(lv)高(gao)、SSE小、自動化測(ce)(ce)量(liang)等特(te)點。采(cai)用原地測(ce)(ce)量(liang)有(you)效波長(chang)標定(ding)技術(shu),測(ce)(ce)溫范圍為(wei)800℃~3200℃。在(zai)660nm波長(chang)下,900℃時(shi)(shi)溫度分辨率(lv)為(wei)0.01℃,在(zai)800℃~2200℃溫度范圍內,置信水平(ping)為(wei)0.99時(shi)(shi),擴(kuo)展不確定(ding)度為(wei)1.0℃~2.4℃。