中(zhong)國(guo)計量科學(xue)研究院在建立我國(guo)961.78℃以上(shang)溫(wen)區國(guo)際溫(wen)標(ITS-90)的(de)基(ji)礎上(shang)，研制了用(yong)作溫(wen)標傳(chuan)遞標準及(ji)精密(mi)(mi)測(ce)溫(wen)的(de)新(xin)型(xing)精密(mi)(mi)光電高溫(wen)計。
鑒于(yu)鎢(wu)帶燈和黑體爐在(zai)溫(wen)(wen)標(biao)傳(chuan)遞(di)中的(de)(de)重要地位(wei),新(xin)型(xing)光(guang)(guang)電(dian)(dian)高溫(wen)(wen)計(ji)(ji)具(ju)備測量(liang)(liang)目(mu)標(biao)小和輻射(she)(she)源(yuan)尺寸效應(ying)(Size-of-sourceeffect)小的(de)(de)特點。新(xin)基準光(guang)(guang)電(dian)(dian)溫(wen)(wen)度(du)(du)比較儀在(zai)設計(ji)(ji)時(shi)使其(qi)主要參(can)數(shu)與(yu)國(guo)際建(jian)議一(yi)致;同樣,新(xin)光(guang)(guang)電(dian)(dian)高溫(wen)(wen)計(ji)(ji)在(zai)被(bei)測目(mu)標(biao)形狀(zhuang)、面(mian)積、受光(guang)(guang)立體角(jiao)、儀器(qi)光(guang)(guang)譜帶寬等(deng)參(can)數(shu)及(ji)儀器(qi)結構上與(yu)國(guo)家基準比較儀保持基本一(yi)致,以避(bi)免(mian)因基準和標(biao)準儀器(qi)的(de)(de)差異在(zai)溫(wen)(wen)度(du)(du)量(liang)(liang)值傳(chuan)遞(di)的(de)(de)過程(cheng)中產生顯著的(de)(de)系統(tong)誤差。由(you)于(yu)該高溫(wen)(wen)計(ji)(ji)的(de)(de)光(guang)(guang)電(dian)(dian)探測器(qi)輸出與(yu)被(bei)測目(mu)標(biao)的(de)(de)光(guang)(guang)譜輻射(she)(she)亮度(du)(du)呈(cheng)現很好的(de)(de)線性(xing)關系,并在(zai)我國(guo)首(shou)次將原地測量(liang)(liang)有(you)(you)效波長方法應(ying)用于(yu)傳(chuan)遞(di)溫(wen)(wen)標(biao)的(de)(de)高溫(wen)(wen)計(ji)(ji),因此,可(ke)直接(jie)由(you)內部微控(kong)制器(qi)依據普朗克定律(lv)計(ji)(ji)算被(bei)測溫(wen)(wen)度(du)(du);具(ju)有(you)(you)數(shu)字濾波、自動(dong)暗電(dian)(dian)流(liu)修正(zheng)及(ji)發射(she)(she)率(lv)修正(zheng)等(deng)功能(neng),具(ju)備GPIB接(jie)口(kou)功能(neng),便于(yu)組成自動(dong)化測試系統(tong)。
該高(gao)溫(wen)計在660nm波長(chang)、900℃時溫(wen)度(du)(du)分(fen)辨率為(wei)0.01℃;在800℃～2200℃溫(wen)度(du)(du)范(fan)圍、置信(xin)水平為(wei)0.99時,擴展不確定(ding)度(du)(du)為(wei)1.0℃～2.4℃。精(jing)密光電高(gao)溫(wen)計的結(jie)構(gou)參數(shu)和性能適合溫(wen)度(du)(du)精(jing)密測量并作為(wei)溫(wen)標的傳遞(di)標準(zhun),也為(wei)高(gao)溫(wen)溫(wen)標采用多波長(chang)傳遞(di)方法及固定(ding)點分(fen)度(du)(du)等(deng)技術創造了條件。
按功能劃分(fen)(fen)高溫計(ji)在形式上(shang)分(fen)(fen)為兩部(bu)分(fen)(fen)。一部(bu)分(fen)(fen)為光(guang)學機(ji)械(xie)系統、光(guang)電(dian)轉(zhuan)換及微電(dian)流(liu)放(fang)大器,另(ling)一部(bu)分(fen)(fen)為由微控制器等組成的測量(liang)顯示儀表。
精密光(guang)(guang)電高(gao)溫(wen)計光(guang)(guang)學(xue)系(xi)(xi)(xi)統(tong)的(de)(de)設(she)計,參考了(le)復現ITS-90的(de)(de)基準(zhun)光(guang)(guang)電溫(wen)度比較儀(yi)(yi)的(de)(de)光(guang)(guang)學(xue)系(xi)(xi)(xi)統(tong)及國外同(tong)類(lei)儀(yi)(yi)器的(de)(de)方案。高(gao)溫(wen)計光(guang)(guang)學(xue)系(xi)(xi)(xi)統(tong)布(bu)置：被測(ce)(ce)輻射(she)(she)(she)源經物鏡(jing)成(cheng)像于視(shi)場光(guang)(guang)闌(lan)(lan),視(shi)場光(guang)(guang)闌(lan)(lan)中心為(wei)(wei)直(zhi)徑0.2mm的(de)(de)圓(yuan)孔,周圍為(wei)(wei)鏡(jing)反射(she)(she)(she)面,用于瞄(miao)準(zhun)。被測(ce)(ce)目標(biao)成(cheng)像于圓(yuan)孔上(shang),其(qi)輻射(she)(she)(she)經準(zhun)直(zhi)鏡(jing)、限制光(guang)(guang)闌(lan)(lan)、干(gan)(gan)涉濾(lv)光(guang)(guang)片(pian)(pian)、減弱濾(lv)光(guang)(guang)片(pian)(pian)、準(zhun)直(zhi)鏡(jing)后會(hui)聚到光(guang)(guang)電探(tan)測(ce)(ce)器上(shang)。限制光(guang)(guang)闌(lan)(lan)決定高(gao)溫(wen)計的(de)(de)孔徑比。可(ke)轉(zhuan)動的(de)(de)干(gan)(gan)涉濾(lv)光(guang)(guang)片(pian)(pian)輪上(shang)有四個安裝(zhuang)位置,可(ke)安裝(zhuang)三片(pian)(pian)不同(tong)波長的(de)(de)干(gan)(gan)涉濾(lv)光(guang)(guang)片(pian)(pian),使(shi)光(guang)(guang)束單色化,減弱濾(lv)光(guang)(guang)片(pian)(pian)用于擴展測(ce)(ce)溫(wen)上(shang)限(使(shi)光(guang)(guang)電探(tan)測(ce)(ce)器工作于線性區(qu)域),為(wei)(wei)瞄(miao)準(zhun)系(xi)(xi)(xi)統(tong)的(de)(de)反射(she)(she)(she)鏡(jing),為(wei)(wei)瞄(miao)準(zhun)物鏡(jing),為(wei)(wei)減光(guang)(guang)片(pian)(pian)(輪),為(wei)(wei)目鏡(jing)。
高溫計物(wu)鏡(jing)直徑為(wei)68mm,焦(jiao)距(ju)140mm,最小測量距(ju)離約(yue)0.4m,最小測量靶面直徑小于0.8mm,顯微物(wu)鏡(jing)和目(mu)鏡(jing)放大倍數(shu)為(wei)2×15。高溫計采用干(gan)涉濾光片(pian)為(wei)單(dan)色器(qi),其中心(xin)波長(chang)約(yue)為(wei)660nm,半(ban)寬帶約(yue)為(wei)10nm,長(chang)波截止至(zhi)1200nm,830nm附(fu)近次(ci)(ci)峰透過率(lv)約(yue)為(wei)1×10-4；采用吸熱玻璃可將次(ci)(ci)峰透過率(lv)降低1～2個數(shu)量級。根據(ju)需要可選用900nm或950nm的紅外干(gan)涉濾光片(pian)。
雖然(ran)高溫計在小目(mu)標和窄譜(pu)帶(dai)條件(jian)下測量(liang)難度增加(jia),但(dan)在測量(liang)靶直(zhi)徑為0.75mm條件(jian)下使用(yong)時,測量(liang)靶的(de)形狀大(da)小、有效(xiao)波長及(ji)光(guang)譜(pu)帶(dai)寬等(deng)參數(shu)與(yu)國家基準(zhun)的(de)相應參數(shu)基本一致,避(bi)免了溫度基準(zhun)至標準(zhun)的(de)傳(chuan)遞(di)過(guo)程中因這些(xie)參數(shu)不同引起(qi)的(de)系統(tong)誤差(cha)。
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(dai)有微處理(li)(li)機的測量(liang)顯示(shi)(shi)儀表的組成部分：測量(liang)顯示(shi)(shi)儀表在微處理(li)(li)器(qi)(qi)(qi)的控制下完成對(dui)微電(dian)流放(fang)大器(qi)(qi)(qi)的控制及(ji)對(dui)放(fang)大器(qi)(qi)(qi)輸出電(dian)壓的AD轉換(huan);按放(fang)大器(qi)(qi)(qi)相應(ying)(ying)量(liang)程增益計(ji)算光電(dian)流,并根據(ju)普朗克定律計(ji)算并顯示(shi)(shi)溫(wen)(wen)度值。可通過GPIB接口接收相應(ying)(ying)的控制命令或(huo)發送測量(liang)數據(ju)、儀器(qi)(qi)(qi)狀態(tai)、參數等。在800℃,高溫(wen)(wen)計(ji)的分辨率優(you)于0.05℃,在900℃時(shi)分辨率優(you)于0.01℃。
根據普朗克(ke)定(ding)(ding)(ding)律測溫(wen)(wen)(wen)(wen)的(de)(de)(de)前(qian)提之一是(shi)準確(que)確(que)定(ding)(ding)(ding)精(jing)密(mi)光電高溫(wen)(wen)(wen)(wen)計的(de)(de)(de)有效(xiao)(xiao)波(bo)(bo)長(chang)(chang)(chang)。它是(shi)高溫(wen)(wen)(wen)(wen)計光學系統光譜(pu)(pu)透過率(lv)、光電探測器光譜(pu)(pu)響應及(ji)被測溫(wen)(wen)(wen)(wen)度(du)的(de)(de)(de)函(han)數。其(qi)數值主(zhu)要取(qu)決于干(gan)(gan)涉(she)(she)濾(lv)光片(pian)的(de)(de)(de)光譜(pu)(pu)特性。干(gan)(gan)涉(she)(she)濾(lv)光片(pian)具有顯(xian)著(zhu)的(de)(de)(de)不(bu)(bu)均(jun)勻(yun)性,必須采用(yong)(yong)原地測量方法(fa)確(que)定(ding)(ding)(ding)高溫(wen)(wen)(wen)(wen)計有效(xiao)(xiao)波(bo)(bo)長(chang)(chang)(chang),以(yi)減小(xiao)(xiao)有效(xiao)(xiao)波(bo)(bo)長(chang)(chang)(chang)的(de)(de)(de)不(bu)(bu)確(que)定(ding)(ding)(ding)度(du)。由于選(xuan)用(yong)(yong)的(de)(de)(de)中心波(bo)(bo)長(chang)(chang)(chang)約為(wei)660nm的(de)(de)(de)干(gan)(gan)涉(she)(she)濾(lv)光片(pian)在830nm附近有次(ci)峰(feng),其(qi)峰(feng)值透過率(lv)為(wei)10-4數量級(ji)。該次(ci)峰(feng)將導致(zhi)有效(xiao)(xiao)波(bo)(bo)長(chang)(chang)(chang)在較低溫(wen)(wen)(wen)(wen)度(du)時(shi)隨溫(wen)(wen)(wen)(wen)度(du)降低迅(xun)速(su)增大。為(wei)減小(xiao)(xiao)次(ci)峰(feng)對(dui)有效(xiao)(xiao)波(bo)(bo)長(chang)(chang)(chang)的(de)(de)(de)影(ying)響,在干(gan)(gan)涉(she)(she)濾(lv)光片(pian)前(qian)加一吸熱(re)玻(bo)璃,使有效(xiao)(xiao)波(bo)(bo)長(chang)(chang)(chang)隨溫(wen)(wen)(wen)(wen)度(du)變化(hua)顯(xian)著(zhu)減小(xiao)(xiao),同(tong)時(shi)也減小(xiao)(xiao)了光電探測器光譜(pu)(pu)響應測量不(bu)(bu)確(que)定(ding)(ding)(ding)度(du)對(dui)有效(xiao)(xiao)波(bo)(bo)長(chang)(chang)(chang)不(bu)(bu)確(que)定(ding)(ding)(ding)度(du)的(de)(de)(de)影(ying)響。加吸熱(re)玻(bo)璃前(qian)后干(gan)(gan)涉(she)(she)濾(lv)光片(pian)的(de)(de)(de)光譜(pu)(pu)透過率(lv)及(ji)平(ping)均(jun)有效(xiao)(xiao)波(bo)(bo)長(chang)(chang)(chang)計算(suan)結果。加吸熱(re)玻(bo)璃后有效(xiao)(xiao)波(bo)(bo)長(chang)(chang)(chang)隨溫(wen)(wen)(wen)(wen)度(du)的(de)(de)(de)變化(hua)顯(xian)著(zhu)減小(xiao)(xiao)。
用(yong)真空燈(deng)和(he)充氣燈(deng)分度高溫(wen)(wen)計的分度重復(fu)性,10天內分度6次。實(shi)驗時室溫(wen)(wen)控制(zhi)在22℃±1℃內,燈(deng)座(zuo)溫(wen)(wen)度控制(zhi)在21℃±0.3℃內。
由于(yu)光學系統雜散光及象差等因素的(de)影響,高溫(wen)計測量溫(wen)度一定的(de)輻(fu)射源(yuan)時(shi),測量結(jie)果與被測源(yuan)形狀大小有關。高溫(wen)計在測量1000℃和2000℃的(de)40mm面黑體時(shi),SSE的(de)影響分(fen)別為0.13℃和0.43℃。該(gai)特性表明,用鎢帶燈分(fen)度該(gai)高溫(wen)計,在測量黑體爐(lu)時(shi),若不做SSE修(xiu)正(zheng)也不致(zhi)產(chan)生顯(xian)著的(de)誤差。
測量(liang)(liang)距(ju)離不同時高溫(wen)(wen)計光學系統的(de)(de)(de)透過率略有(you)變化。用鎢帶燈和黑體(ti)爐(lu)測量(liang)(liang)了高溫(wen)(wen)計放大器(qi)輸出受測量(liang)(liang)距(ju)離的(de)(de)(de)影響(DE)。在近距(ju)離測量(liang)(liang)時要注意距(ju)離變化的(de)(de)(de)影響。
精密光電高(gao)溫(wen)(wen)(wen)計在確(que)定其(qi)有(you)效波(bo)長(chang)和放大器各量程(cheng)增(zeng)益比后(hou),僅(jin)需一個(ge)參考溫(wen)(wen)(wen)度(du)點分(fen)度(du),即(ji)可(ke)確(que)定其(qi)溫(wen)(wen)(wen)度(du)量值(忽略高(gao)溫(wen)(wen)(wen)計非線性的(de)影(ying)響(xiang)(xiang))。作為(wei)(wei)溫(wen)(wen)(wen)標(biao)(biao)的(de)傳(chuan)遞(di)標(biao)(biao)準(zhun)(zhun)時,為(wei)(wei)與現(xian)行檢定方法統一,800℃～2200℃暫用工(gong)作基準(zhun)(zhun)燈(deng)(deng)檢定(或檢驗(yan))精密(標(biao)(biao)準(zhun)(zhun))光電高(gao)溫(wen)(wen)(wen)計。影(ying)響(xiang)(xiang)其(qi)不(bu)確(que)定度(du)的(de)主(zhu)要因素為(wei)(wei)以下6項(xiang):分(fen)度(du)重(zhong)復性標(biao)(biao)準(zhun)(zhun)不(bu)確(que)定度(du);標(biao)(biao)準(zhun)(zhun)光電高(gao)溫(wen)(wen)(wen)計年(nian)穩定性的(de)標(biao)(biao)準(zhun)(zhun)不(bu)確(que)定度(du);工(gong)作基準(zhun)(zhun)燈(deng)(deng)的(de)合(he)成標(biao)(biao)準(zhun)(zhun)不(bu)確(que)定度(du);工(gong)作基準(zhun)(zhun)燈(deng)(deng)電測設備(bei)標(biao)(biao)準(zhun)(zhun)不(bu)確(que)定度(du)(含標(biao)(biao)準(zhun)(zhun)電阻、電壓(ya)測量儀表和穩流電源紋(wen)波(bo)的(de)影(ying)響(xiang)(xiang));有(you)效波(bo)長(chang)的(de)標(biao)(biao)準(zhun)(zhun)不(bu)確(que)定度(du)(0.2nm)對鎢帶燈(deng)(deng)亮(liang)度(du)溫(wen)(wen)(wen)度(du)的(de)影(ying)響(xiang)(xiang)u5;環境溫(wen)(wen)(wen)度(du)對標(biao)(biao)準(zhun)(zhun)光電高(gao)溫(wen)(wen)(wen)計影(ying)響(xiang)(xiang)的(de)標(biao)(biao)準(zhun)(zhun)不(bu)確(que)定度(du)。
當采用固定點(dian)作為溫(wen)度(du)(du)(du)(du)參考點(dian)的(de)分(fen)(fen)度(du)(du)(du)(du)方(fang)法時(shi),參考點(dian)溫(wen)度(du)(du)(du)(du)不(bu)(bu)確定度(du)(du)(du)(du)對(dui)各溫(wen)度(du)(du)(du)(du)延伸點(dian)的(de)影(ying)響都(dou)將(jiang)顯(xian)著減小。由(you)于本精密光電高溫(wen)計在(zai)設計上完全具備(bei)用單點(dian)分(fen)(fen)度(du)(du)(du)(du)的(de)技術特點(dian),因此為將(jiang)來采用新分(fen)(fen)度(du)(du)(du)(du)方(fang)法傳遞溫(wen)標、減小測溫(wen)不(bu)(bu)確定度(du)(du)(du)(du)打下了良(liang)好(hao)基礎。
精密光電高溫(wen)(wen)(wen)(wen)計的結(jie)構參數和性能不僅適(shi)用于溫(wen)(wen)(wen)(wen)度精密測(ce)量(liang),而且可作為(wei)(wei)溫(wen)(wen)(wen)(wen)標的傳遞標準(zhun)。該高溫(wen)(wen)(wen)(wen)計在小目標和窄譜帶的測(ce)量(liang)條(tiao)件下,具有(you)分辨率高、SSE小、自動化(hua)測(ce)量(liang)等特點。采用原地測(ce)量(liang)有(you)效波(bo)長標定技術,測(ce)溫(wen)(wen)(wen)(wen)范(fan)圍(wei)為(wei)(wei)800℃～3200℃。在660nm波(bo)長下,900℃時(shi)溫(wen)(wen)(wen)(wen)度分辨率為(wei)(wei)0.01℃,在800℃～2200℃溫(wen)(wen)(wen)(wen)度范(fan)圍(wei)內,置信水平(ping)為(wei)(wei)0.99時(shi),擴展不確(que)定度為(wei)(wei)1.0℃～2.4℃。
