中國(guo)計量科學研(yan)究院(yuan)在建立我國(guo)961.78℃以上(shang)溫區國(guo)際溫標(biao)(ITS-90)的基礎上(shang)，研(yan)制了用作溫標(biao)傳遞標(biao)準及精密測(ce)溫的新型(xing)精密光電高溫計。
鑒(jian)于(yu)鎢帶燈(deng)和(he)黑(hei)體爐在溫(wen)(wen)(wen)標(biao)傳(chuan)(chuan)遞中的(de)(de)重要地(di)位(wei),新(xin)(xin)型光(guang)(guang)電(dian)高溫(wen)(wen)(wen)計(ji)具(ju)備(bei)測(ce)量目標(biao)小和(he)輻射源尺(chi)寸效應(Size-of-sourceeffect)小的(de)(de)特點。新(xin)(xin)基準光(guang)(guang)電(dian)溫(wen)(wen)(wen)度比(bi)較儀在設計(ji)時使其(qi)主要參數與國際建議一(yi)致(zhi);同樣,新(xin)(xin)光(guang)(guang)電(dian)高溫(wen)(wen)(wen)計(ji)在被(bei)(bei)測(ce)目標(biao)形狀(zhuang)、面積、受光(guang)(guang)立體角(jiao)、儀器(qi)光(guang)(guang)譜(pu)帶寬(kuan)等(deng)參數及(ji)儀器(qi)結(jie)構(gou)上與國家基準比(bi)較儀保(bao)持基本(ben)一(yi)致(zhi),以避(bi)免因基準和(he)標(biao)準儀器(qi)的(de)(de)差異在溫(wen)(wen)(wen)度量值(zhi)傳(chuan)(chuan)遞的(de)(de)過程(cheng)中產生顯著的(de)(de)系統(tong)(tong)誤(wu)差。由于(yu)該高溫(wen)(wen)(wen)計(ji)的(de)(de)光(guang)(guang)電(dian)探(tan)測(ce)器(qi)輸出(chu)與被(bei)(bei)測(ce)目標(biao)的(de)(de)光(guang)(guang)譜(pu)輻射亮度呈(cheng)現很好的(de)(de)線性關系,并在我國首次將原地(di)測(ce)量有效波(bo)長方法應用于(yu)傳(chuan)(chuan)遞溫(wen)(wen)(wen)標(biao)的(de)(de)高溫(wen)(wen)(wen)計(ji),因此,可直接(jie)由內部微控制器(qi)依據普朗(lang)克(ke)定律計(ji)算被(bei)(bei)測(ce)溫(wen)(wen)(wen)度;具(ju)有數字(zi)濾波(bo)、自動(dong)暗(an)電(dian)流修正(zheng)及(ji)發(fa)射率(lv)修正(zheng)等(deng)功能(neng),具(ju)備(bei)GPIB接(jie)口功能(neng),便于(yu)組成(cheng)自動(dong)化測(ce)試系統(tong)(tong)。
該高(gao)溫(wen)(wen)計在660nm波長、900℃時溫(wen)(wen)度(du)分(fen)辨率為(wei)0.01℃;在800℃～2200℃溫(wen)(wen)度(du)范圍、置信水平為(wei)0.99時,擴(kuo)展不確定度(du)為(wei)1.0℃～2.4℃。精密(mi)光電高(gao)溫(wen)(wen)計的(de)結構參數和(he)性能適合溫(wen)(wen)度(du)精密(mi)測量并(bing)作為(wei)溫(wen)(wen)標的(de)傳遞標準,也(ye)為(wei)高(gao)溫(wen)(wen)溫(wen)(wen)標采用多波長傳遞方法(fa)及固定點分(fen)度(du)等技術創造了條件(jian)。
按功能(neng)劃分(fen)高(gao)溫(wen)計在形式上分(fen)為兩部分(fen)。一部分(fen)為光(guang)學機械系統、光(guang)電轉換及(ji)微電流放大器,另一部分(fen)為由微控制器等組成的測(ce)量顯(xian)示儀表。
精密光(guang)電(dian)高(gao)溫計(ji)(ji)光(guang)學系統(tong)的(de)(de)設計(ji)(ji),參考了復現(xian)ITS-90的(de)(de)基準光(guang)電(dian)溫度比較(jiao)儀(yi)的(de)(de)光(guang)學系統(tong)及國外同(tong)類儀(yi)器的(de)(de)方案(an)。高(gao)溫計(ji)(ji)光(guang)學系統(tong)布置：被(bei)測(ce)輻射源(yuan)經物(wu)鏡(jing)(jing)(jing)成像于(yu)(yu)視(shi)場光(guang)闌,視(shi)場光(guang)闌中心為直徑(jing)0.2mm的(de)(de)圓(yuan)(yuan)孔,周(zhou)圍(wei)為鏡(jing)(jing)(jing)反射面,用(yong)于(yu)(yu)瞄(miao)準。被(bei)測(ce)目(mu)標(biao)成像于(yu)(yu)圓(yuan)(yuan)孔上(shang)(shang),其輻射經準直鏡(jing)(jing)(jing)、限(xian)制光(guang)闌、干(gan)(gan)涉濾光(guang)片、減(jian)弱濾光(guang)片、準直鏡(jing)(jing)(jing)后會聚到(dao)光(guang)電(dian)探(tan)測(ce)器上(shang)(shang)。限(xian)制光(guang)闌決定高(gao)溫計(ji)(ji)的(de)(de)孔徑(jing)比。可轉動的(de)(de)干(gan)(gan)涉濾光(guang)片輪上(shang)(shang)有四個安(an)(an)裝位置,可安(an)(an)裝三片不同(tong)波長的(de)(de)干(gan)(gan)涉濾光(guang)片,使(shi)光(guang)束單(dan)色化(hua),減(jian)弱濾光(guang)片用(yong)于(yu)(yu)擴展測(ce)溫上(shang)(shang)限(xian)(使(shi)光(guang)電(dian)探(tan)測(ce)器工作(zuo)于(yu)(yu)線(xian)性區域),為瞄(miao)準系統(tong)的(de)(de)反射鏡(jing)(jing)(jing),為瞄(miao)準物(wu)鏡(jing)(jing)(jing),為減(jian)光(guang)片(輪),為目(mu)鏡(jing)(jing)(jing)。
高溫計(ji)物(wu)鏡直徑為68mm,焦(jiao)距(ju)140mm,最小(xiao)測量(liang)距(ju)離約(yue)0.4m,最小(xiao)測量(liang)靶面直徑小(xiao)于0.8mm,顯微(wei)物(wu)鏡和目鏡放大倍數(shu)為2×15。高溫計(ji)采(cai)用干涉濾光片(pian)為單色器,其中心波長約(yue)為660nm,半寬帶(dai)約(yue)為10nm,長波截止至1200nm,830nm附近次峰透(tou)(tou)過(guo)率約(yue)為1×10-4；采(cai)用吸(xi)熱玻璃可(ke)將次峰透(tou)(tou)過(guo)率降低1～2個(ge)數(shu)量(liang)級。根據需要可(ke)選用900nm或950nm的紅(hong)外干涉濾光片(pian)。
雖然高溫計在(zai)小目標和窄譜(pu)帶(dai)條件下(xia)測(ce)量難度增加,但(dan)在(zai)測(ce)量靶(ba)直徑為0.75mm條件下(xia)使(shi)用(yong)時,測(ce)量靶(ba)的形狀大(da)小、有效波長及光(guang)譜(pu)帶(dai)寬等參數與國家基(ji)準(zhun)(zhun)的相應參數基(ji)本一致(zhi),避免了溫度基(ji)準(zhun)(zhun)至標準(zhun)(zhun)的傳遞過程(cheng)中因(yin)這些(xie)參數不同(tong)引(yin)起的系(xi)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)測量顯示儀(yi)(yi)表的(de)組成部分：測量顯示儀(yi)(yi)表在微(wei)處(chu)理器的(de)控制(zhi)下完成對微(wei)電(dian)流(liu)放(fang)(fang)大器的(de)控制(zhi)及對放(fang)(fang)大器輸出電(dian)壓(ya)的(de)AD轉換;按放(fang)(fang)大器相(xiang)應(ying)量程增益計(ji)算(suan)光(guang)電(dian)流(liu),并根據(ju)普朗(lang)克定律計(ji)算(suan)并顯示溫(wen)度值。可通過GPIB接口接收(shou)相(xiang)應(ying)的(de)控制(zhi)命(ming)令或(huo)發送測量數(shu)據(ju)、儀(yi)(yi)器狀(zhuang)態、參數(shu)等。在800℃,高溫(wen)計(ji)的(de)分辨率優于0.05℃,在900℃時(shi)分辨率優于0.01℃。
根據(ju)普朗克定(ding)律測(ce)溫(wen)的(de)(de)前提之一是(shi)準(zhun)確(que)確(que)定(ding)精(jing)密光(guang)(guang)電高溫(wen)計(ji)的(de)(de)有(you)(you)效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)波(bo)(bo)長(chang)(chang)(chang)(chang)。它是(shi)高溫(wen)計(ji)光(guang)(guang)學系(xi)統光(guang)(guang)譜(pu)透過(guo)率、光(guang)(guang)電探測(ce)器光(guang)(guang)譜(pu)響(xiang)應及被測(ce)溫(wen)度(du)的(de)(de)函數。其(qi)數值主(zhu)要(yao)取決于干(gan)(gan)(gan)(gan)涉(she)濾光(guang)(guang)片(pian)(pian)的(de)(de)光(guang)(guang)譜(pu)特性。干(gan)(gan)(gan)(gan)涉(she)濾光(guang)(guang)片(pian)(pian)具有(you)(you)顯著(zhu)的(de)(de)不均勻(yun)性,必須(xu)采用(yong)原(yuan)地測(ce)量方法確(que)定(ding)高溫(wen)計(ji)有(you)(you)效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)波(bo)(bo)長(chang)(chang)(chang)(chang),以減(jian)(jian)小有(you)(you)效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)波(bo)(bo)長(chang)(chang)(chang)(chang)的(de)(de)不確(que)定(ding)度(du)。由于選用(yong)的(de)(de)中(zhong)心波(bo)(bo)長(chang)(chang)(chang)(chang)約(yue)為660nm的(de)(de)干(gan)(gan)(gan)(gan)涉(she)濾光(guang)(guang)片(pian)(pian)在(zai)830nm附近有(you)(you)次峰(feng),其(qi)峰(feng)值透過(guo)率為10-4數量級。該次峰(feng)將導(dao)致(zhi)有(you)(you)效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)波(bo)(bo)長(chang)(chang)(chang)(chang)在(zai)較低(di)溫(wen)度(du)時隨溫(wen)度(du)降低(di)迅速(su)增(zeng)大。為減(jian)(jian)小次峰(feng)對(dui)有(you)(you)效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)波(bo)(bo)長(chang)(chang)(chang)(chang)的(de)(de)影(ying)響(xiang),在(zai)干(gan)(gan)(gan)(gan)涉(she)濾光(guang)(guang)片(pian)(pian)前加一吸熱玻(bo)璃,使(shi)有(you)(you)效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)波(bo)(bo)長(chang)(chang)(chang)(chang)隨溫(wen)度(du)變化(hua)顯著(zhu)減(jian)(jian)小,同時也(ye)減(jian)(jian)小了光(guang)(guang)電探測(ce)器光(guang)(guang)譜(pu)響(xiang)應測(ce)量不確(que)定(ding)度(du)對(dui)有(you)(you)效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)波(bo)(bo)長(chang)(chang)(chang)(chang)不確(que)定(ding)度(du)的(de)(de)影(ying)響(xiang)。加吸熱玻(bo)璃前后(hou)干(gan)(gan)(gan)(gan)涉(she)濾光(guang)(guang)片(pian)(pian)的(de)(de)光(guang)(guang)譜(pu)透過(guo)率及平均有(you)(you)效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)波(bo)(bo)長(chang)(chang)(chang)(chang)計(ji)算結果。加吸熱玻(bo)璃后(hou)有(you)(you)效(xiao)(xiao)(xiao)(xiao)波(bo)(bo)長(chang)(chang)(chang)(chang)隨溫(wen)度(du)的(de)(de)變化(hua)顯著(zhu)減(jian)(jian)小。
用(yong)真空(kong)燈和充氣(qi)燈分(fen)度高溫(wen)計的分(fen)度重復性,10天內(nei)分(fen)度6次。實驗時室溫(wen)控制在22℃±1℃內(nei),燈座溫(wen)度控制在21℃±0.3℃內(nei)。
由于光(guang)學系(xi)統雜(za)散(san)光(guang)及象差等因素的影響,高溫計測(ce)量溫度一定的輻(fu)射源時(shi),測(ce)量結果與被測(ce)源形狀大小有(you)關。高溫計在測(ce)量1000℃和(he)(he)2000℃的40mm面(mian)黑(hei)體時(shi),SSE的影響分(fen)別(bie)為0.13℃和(he)(he)0.43℃。該特性表明,用鎢帶(dai)燈分(fen)度該高溫計,在測(ce)量黑(hei)體爐時(shi),若不做(zuo)SSE修(xiu)正也(ye)不致產生顯著的誤(wu)差。
測(ce)量距(ju)(ju)離(li)不同時(shi)高溫計光(guang)學系統(tong)的(de)透過(guo)率略有變化。用(yong)鎢帶燈和(he)黑體(ti)爐測(ce)量了高溫計放大器輸(shu)出受測(ce)量距(ju)(ju)離(li)的(de)影(ying)響(DE)。在(zai)近距(ju)(ju)離(li)測(ce)量時(shi)要(yao)注意(yi)距(ju)(ju)離(li)變化的(de)影(ying)響。
精密光電高(gao)(gao)溫計在確(que)定(ding)(ding)(ding)其(qi)有效波(bo)(bo)長和(he)放大(da)器各量程增益比后(hou),僅需一個參(can)考溫度(du)(du)點分度(du)(du),即可確(que)定(ding)(ding)(ding)其(qi)溫度(du)(du)量值(忽略高(gao)(gao)溫計非線性(xing)的(de)影響(xiang))。作(zuo)(zuo)(zuo)為溫標(biao)(biao)(biao)(biao)的(de)傳遞標(biao)(biao)(biao)(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)時,為與現行檢(jian)(jian)定(ding)(ding)(ding)方法統一,800℃～2200℃暫用工(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)基(ji)準(zhun)(zhun)(zhun)燈(deng)(deng)檢(jian)(jian)定(ding)(ding)(ding)(或檢(jian)(jian)驗)精密(標(biao)(biao)(biao)(biao)準(zhun)(zhun)(zhun))光電高(gao)(gao)溫計。影響(xiang)其(qi)不(bu)確(que)定(ding)(ding)(ding)度(du)(du)的(de)主(zhu)要因素(su)為以(yi)下6項:分度(du)(du)重復性(xing)標(biao)(biao)(biao)(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)不(bu)確(que)定(ding)(ding)(ding)度(du)(du);標(biao)(biao)(biao)(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)光電高(gao)(gao)溫計年(nian)穩定(ding)(ding)(ding)性(xing)的(de)標(biao)(biao)(biao)(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)不(bu)確(que)定(ding)(ding)(ding)度(du)(du);工(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)基(ji)準(zhun)(zhun)(zhun)燈(deng)(deng)的(de)合成(cheng)標(biao)(biao)(biao)(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)不(bu)確(que)定(ding)(ding)(ding)度(du)(du);工(gong)作(zuo)(zuo)(zuo)基(ji)準(zhun)(zhun)(zhun)燈(deng)(deng)電測(ce)設備(bei)標(biao)(biao)(biao)(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)不(bu)確(que)定(ding)(ding)(ding)度(du)(du)(含標(biao)(biao)(biao)(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)電阻、電壓(ya)測(ce)量儀表和(he)穩流電源紋波(bo)(bo)的(de)影響(xiang));有效波(bo)(bo)長的(de)標(biao)(biao)(biao)(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)不(bu)確(que)定(ding)(ding)(ding)度(du)(du)(0.2nm)對鎢帶(dai)燈(deng)(deng)亮度(du)(du)溫度(du)(du)的(de)影響(xiang)u5;環境溫度(du)(du)對標(biao)(biao)(biao)(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)光電高(gao)(gao)溫計影響(xiang)的(de)標(biao)(biao)(biao)(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)不(bu)確(que)定(ding)(ding)(ding)度(du)(du)。
當采(cai)用固定點作為溫(wen)(wen)度(du)(du)參考(kao)點的(de)分(fen)度(du)(du)方法時,參考(kao)點溫(wen)(wen)度(du)(du)不(bu)確定度(du)(du)對(dui)各溫(wen)(wen)度(du)(du)延伸點的(de)影響(xiang)都將顯著(zhu)減小。由(you)于本精密光(guang)電(dian)高溫(wen)(wen)計(ji)(ji)在(zai)設(she)計(ji)(ji)上完全具備用單(dan)點分(fen)度(du)(du)的(de)技術特(te)點,因此(ci)為將來采(cai)用新分(fen)度(du)(du)方法傳遞溫(wen)(wen)標、減小測溫(wen)(wen)不(bu)確定度(du)(du)打下了良好基(ji)礎。
精密(mi)(mi)光電高(gao)溫(wen)(wen)(wen)計的結構參數和性能不僅適(shi)用于溫(wen)(wen)(wen)度精密(mi)(mi)測(ce)量,而且可作為(wei)溫(wen)(wen)(wen)標的傳(chuan)遞標準。該高(gao)溫(wen)(wen)(wen)計在(zai)小(xiao)目標和窄譜帶(dai)的測(ce)量條件下(xia),具有分辨率高(gao)、SSE小(xiao)、自(zi)動(dong)化(hua)測(ce)量等特點。采(cai)用原(yuan)地(di)測(ce)量有效波長(chang)標定技術,測(ce)溫(wen)(wen)(wen)范圍為(wei)800℃～3200℃。在(zai)660nm波長(chang)下(xia),900℃時溫(wen)(wen)(wen)度分辨率為(wei)0.01℃,在(zai)800℃～2200℃溫(wen)(wen)(wen)度范圍內,置信水平為(wei)0.99時,擴展(zhan)不確定度為(wei)1.0℃～2.4℃。
